特高压直流一次设备运行可靠性分析

刘益江　韩祎菲　张永良

［摘 要］本文旨在对特高压直流（UHVDC）一次设备的运行可靠性进行分析，并探讨相应的评估方法和改进措施。本文介绍了UHVDC技术的工作原理，阐述了UHVDC一次设备在电力系统中的重要作用，探讨了UHVDC一次设备所面临的故障和失效风险，并分析可能存在的影响和后果。此外，还介绍了可靠性评估方法，包括故障树分析、失效模式与影响分析等，用于识别关键部件和系统的潜在故障，并提出改进和预防措施，以提高UHVDC一次设备的运行可靠性。通过对UHVDC一次设备的运行可靠性分析，可以为电力系统的稳定运行和可靠供电提供重要参考，为电力行业的发展和能源转型做出贡献。

［关键词］特高压；直流；一次设备；运行；可靠性

［中图分类号］TM8文献标志码：A

特高压直流（Ultra-High Voltage Direct Current，以下简称“UHVDC”）技术作为电力传输领域的重要创新，具有高效、远距离传输和大容量输电的优势。在UHVDC系统中，一次设备承担着关键的传输和转换功能，对系统的运行可靠性起着至关重要的作用。保障UHVDC一次设备的运行可靠性对于确保电力系统的稳定运行、提高电力传输效率和保证供电质量具有重要意义。目前，UHVDC一次设备面临着多种潜在的故障和失效风险，如电气故障、设备老化、环境因素等，这些因素可能导致设备性能下降、运行中断甚至系统故障。因此，对UHVDC一次设备的运行可靠性进行分析和评估是至关重要的。通过深入研究UHVDC一次设备的工作原理、结构和运行特点，并结合可靠性评估方法的应用，可以有效识别潜在的故障模式和失效影响，为改进设备设计和运行管理提供有力依据。

1 UHVDC技术的工作原理

UHVDC技术是一种电力传输和转换技术，具有高电压、高效率和远距离传输的特点。UHVDC系统使用换流器将交流电转换为直流电，或者将直流电转换为交流电。换流器由多个可控硅器件（Thyristor）组成，通过控制硅器件的导通和截止，实现电流的正向和反向传输［1］。UHVDC系统需要提供高电压的直流电压源，通常使用直流发电机或者整流变压器来实现。互感器用于提供换流器所需的控制信号和反馈信号，确保系统的稳定运行和正常工作。UHVDC系统通过特殊设计的传输线路进行电力传输，通常采用高压直流电缆或者空中输电线路。UHVDC技术通过将电力转换为直流形式进行传输，克服了传统交流输电系统的一些限制，如电流损耗、电压降低和电容电感等问题。可以实现更长距离的电力传输、提高输电效率，并在全球范围内实现大容量电力输送。

UHVDC技术可以实现远距离电力传输，有效解决了传统交流输电系统中长距离输电带来的电能损耗和电压降低等问题。可以将电力从远离发电站的地区高效地输送到负荷中心，提高电力资源的利用率和供电可靠性。UHVDC技术具有较高的输电容量，可以满足日益增长的电力需求。相比传统交流输电系统，UHVDC系统能够承载更大的电流和功率，实现大规模的电力输送，特别适用于跨国电力交换和大型能源基地的连接。UHVDC技术能够有效实现不同电网之间的电力互联，促进区域间的电力合作和能源共享。通过UHVDC连接，不同地区的电力系统可以实现互补，优化电力资源配置，提高能源利用效率。UHVDC技术具有较高的稳定性和可靠性，能够减少电力系统的故障和失效风险。通过优化电力传输方式，降低输电线路的电阻和电感，减少电力系统的短路故障和功率损耗，提高电力系统的稳定运行能力。

2 UHVDC一次设备所面临的故障和失效风险

UHVDC一次设备作为UHVDC系统中的关键组成部分，承担着电力转换和传输的重要功能。同时，它也面临着一些潜在的故障和失效风险，可能影响系统的正常运行和可靠性。UHVDC一次设备中的绝缘系统可能失效，导致电压击穿和漏电等问题。这可能由于绝缘材料老化、绝缘子污秽、环境因素和操作失误等原因引起。UHVDC一次设备中的硬件元件如可控硅器件、电容器和电感器等可能发生故障。例如，可控硅器件可能出现导通或截止失效，电容器可能出现漏电或短路，电感器可能出现断线或电感变化。UHVDC一次设备的直流电源系统可能发生故障，导致电压波动、电源中断或不稳定。这可能由于电源故障、电压调节器失效或供电线路故障等原因引起。

UHVDC一次设备的控制系统可能发生故障，导致信号傳输错误或操作失误。这可能由于控制电路故障、传感器故障、通信故障或操作人员错误等原因引起。UHVDC一次设备所处的环境因素如温度、湿度、气候等可能对设备的运行产生不利影响。例如，高温、高湿度环境可能导致设备绝缘性能下降，气候变化可能引起设备腐蚀和老化。这些故障和失效风险可能对UHVDC一次设备的运行稳定性和可靠性造成影响［2］。因此，对这些潜在风险进行充分的分析和评估，并采取相应的预防措施和维护策略，对于确保UHVDC系统的可靠运行具有重要意义。

3 特高压直流一次设备运行可靠性评估方法

3.1 故障树分析

故障树分析是一种定性和定量的故障分析方法，用于识别系统故障的潜在原因和失效路径。在UHVDC一次设备的运行可靠性评估中，故障树分析可以帮助确定导致系统失效的主要因素，并评估其对设备可靠性的影响。顶事件是指系统故障或失效的最终结果，如UHVDC一次设备的停止工作、电压失控等。确定顶事件是故障树分析的起点。基本事件是构成故障树的最小事件，可以直接导致顶事件的发生。在UHVDC一次设备的故障树中，基本事件可能包括硬件故障（如器件故障、电路故障）、控制系统故障、电源故障等。逻辑门是连接基本事件的逻辑关系，用于描述基本事件之间的逻辑组合和关联。常用的逻辑门包括与门（AND）、或门（OR）、优先门（Priority）、禁门（Inhibit）等。根据系统的特点和要求，组织和构建故障树结构。将顶事件作为树的根节点，基本事件作为叶子节点，通过逻辑门连接各个事件，形成一个完整的故障树模型。通过概率分析和数据统计，对故障树中的事件发生概率进行定量评估。可以利用历史故障数据、专家判断和实验数据等来确定事件的概率。根据故障树的结构和事件概率，通过逻辑运算计算顶事件的概率。可以帮助评估UHVDC一次设备的失效概率和可靠性水平。根据故障树分析的结果，识别导致系统失效的主要因素和故障路径，并提出相应的改进和预防措施。可以帮助提高UHVDC一次设备的可靠性和稳定性。

3.2 失效模式与影响分析

失效模式与影响分析是一种系统性的方法，用于识别和评估系统组件的失效模式、影响和严重性。在特高压直流（UHVDC）一次设备的运行可靠性评估中，失效模式与影响分析可以帮助确定关键部件的失效模式并评估其对设备可靠性的影响。对UHVDC一次设备的各个关键部件进行仔细分析，识别可能的失效模式。失效模式是指组件在特定工作条件下可能出现的失效形式，如短路、断路、漏电等［3］。对每个失效模式评估其对设备性能和可靠性的影响。考虑失效后可能导致的故障现象、设备性能降低、安全风险等因素，对失效影响进行定量或定性评估。根据失效影响的评估结果，确定每个失效模式的严重性等级。通常使用定性评估，将失效严重性划分为不同的等级，如高、中、低等级。对于识别出的高严重性失效模式，制定相应的控制措施和改进措施。可能包括增强维护措施、改进设计、加强监测和检测等，以降低失效风险和提高设备的可靠性。随着UHVDC一次设备的运行和维护，及时更新失效模式与影响分析的结果，并持续监测设备的性能和失效情况。可以帮助发现新的失效模式和改进措施，并确保设备可靠性的持续改进。

3.3 可靠性指标评估

可靠性指标评估是通过统计数据和历史运行数据，对UHVDC一次设备的可靠性进行定量评估。常用的可靠性指标可以帮助评估UHVDC一次设备的失效概率和可靠性水平，为设备运行和维护提供参考。MTBF（Mean Time Between Failure）是指设备在连续运行一段时间内的平均故障间隔时间。通过记录设备的故障发生时间和修复时间，可以计算出MTBF，可以作为评估设备可靠性的重要指标。失效率是指单位时间内设备发生故障的频率。通常以每小时或每年的故障次数表示。失效率越低，表示设备的可靠性越高。可靠性指数是一种综合的可靠性评估指标，用于评估设备在一定时间内正常运行的概率。可靠性指数可以通过设备的故障数据和统计方法计算得出，它反映了设备在给定时间内的可靠性水平。可靠性指数是一种综合的可靠性评估指标，用于评估设备在一定时间内正常运行的概率。可靠性指数可以通过设备的故障数据和统计方法计算得出，它反映了设备在给定时间内的可靠性水平。在故障树分析中，可以通过概率分析和逻辑运算，计算出顶事件的概率［4］。顶事件的概率可以作为评估UHVDC一次设备的失效概率和可靠性水平的重要指标。

3.4 维修策略优化

维修策略优化是在UHVDC一次设备的运行可靠性评估基础上，制定和优化设备的维修计划和策略，以提高设备的可用性和可靠性。通过合理的维修策略，可以降低故障风险、减少维修成本，并最大限度地保障设备的正常运行。其中，预防性维护是一种定期进行的维护活动，旨在防止设备故障的发生。通过定期检查、清洁、润滑和更换关键部件等操作，可以延长设备的使用寿命，降低故障发生的概率。在制定预防性维护计划时，需要考虑设备的运行状况、制造商的建议、历史故障数据等因素。利用先进的故障诊断技术和在线监测系统，可以对UHVDC一次设备进行实时监测和故障诊断。通过监测关键参数、振动、温度、压力等指标，可以及时发现设备的异常情况和潜在故障，并采取相应的维修措施。故障诊断和监测可以帮助提前预警和排除故障，减少设备的停机时间和维修成本。合理管理备件和优化库存是维修策略优化的重要方面。根据设备的关键性和故障概率，确定合理的备件库存水平，以满足设备维修的需求。同时，采用先进的备件管理技术，如物联网技术和自动化仓储系统，可以提高备件管理的效率和准确性。

4 特高压直流一次设备运行可靠性改进措施

4.1 定期检修和维护

定期检修和维护是提升UHVDC一次设备运行可靠性的重要措施。通过定期检修和维护，可以确保设备处于良好的工作状态，及时发现并修复潜在问题，以保障设备的正常运行。制定详细的维护计划，包括维护周期、维护内容和维护方法等。根据设备的特点和要求，确定不同部件的检修周期和维护任务，确保全面、系统地进行维护工作。定期对设备进行清洁和润滑，去除灰尘、污垢和沉积物。对移动部件进行润滑，以减少摩擦和磨损，保持设备的良好运行状态。

4.2 强化维护培训

通过培训和提升维护人员的技能和知识水平，可以确保其具备正确的维护操作和安全意识，从而有效地执行设备的维护工作。提供全面的设备操作规程和操作手册，明确说明设备的正确操作方法、步骤和注意事项。培训维护人员熟悉并遵守操作规程，以确保设备在操作过程中不会出现错误。提供维护人员所需的设备知识和技能培训。其中包括了解设备的原理和结构、掌握维护工具和设备的使用方法、学习常见故障诊断和排除方法等。培训维护人员掌握必要的设备知识和技能，使其能够熟练操作和维护设备。

4.3 引入先进监测技术

通过应用先进的监测技术，可以实时监测设备的状态和性能，及时发现异常情况和潜在故障，以采取相应的维修措施，保障设备的正常运行。利用振动传感器和分析技术，监测设备的振动情况。通过分析振动信号的频谱和特征，可以判断设备是否存在异常振动，如不平衡、轴承故障等，并及时采取维修措施。使用红外热像仪对设备进行热图扫描，以检测设备的温度分布和热异常。异常的热点可能暗示着电器元件存在故障、过载或热失控等问题，通过红外热像仪可以及早发现并解决这些问题。

4.4 预防性维护和故障分析

制定定期的预防性维护计划，包括对关键设备进行定期检查、维护和更换关键部件等。预防性维护计划应根据设备的特点和制造商的建议确定，以减少潜在故障的发生。收集和分析设备的故障数据，了解设备的故障模式、频率和原因。通过故障数据分析，可以确定设备的关键故障点，并采取相应的预防措施，以减少故障的发生。应用故障树分析方法，对设备的故障进行深入分析和评估。故障树分析可以帮助确定故障的起因和传播路径，识别关键故障模式，并制定相应的预防措施和改进计划。

5 结语

本研究对特高压直流一次设备的运行可靠性进行了分析。通过对UHVDC一次设备的工作原理和可靠性评估方法的研究，提出了相应的改进和预防措施，以提高UHVDC一次设备的运行可靠性，保障电力系统的稳定和安全运行。

参考文獻

［1］宋秭霖，程玲. 特高压直流一次设备运行可靠性分析［J］. 电气技术，2015（6）：110-112，118.

［2］瞿纲举，邓辉，杨剑. 特高压直流一次设备运行可靠性分析［J］. 通讯世界，2017（14）：241-242.

［3］赵峥，马为民. 并联换流器特高压直流输电系统可靠性研究［J］. 电力建设，2016，37（9）：86-92.

［4］孟耿琼. ±800kV特高压直流输电线路带电检修工器具研制和现场实用研究［D］. 宜昌：三峡大学，2016.

［作者简介］刘益江，男，陕西西安人，国网陕西省电力有限公司超高压公司，助理工程师，本科，研究方向：特高压输变电工程研究。

韩祎菲，女，陕西咸阳人，国网陕西省电力有限公司超高压公司，助理工程师，本科，研究方向：特高压输变电工程研究。

张永良，男，陕西西安人，国网陕西省电力有限公司超高压公司，工程师，硕士，研究方向：特高压直流工程规划与发展。