特高壓直流工程的可靠性
引言 
隨著(zhù)電網(wǎng)網(wǎng)架結構的擴展和各區域電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的要求,特高壓直流輸電工程在遠距離大容量輸送方面較交流輸電具有較多和較大的優(yōu)勢,因此發(fā)展特高壓直流輸電必將成為今后電網(wǎng)發(fā)展的主要趨勢。而交直流聯(lián)網(wǎng)的出現,致使直流系統的可靠性水平成為影響整個(gè)電力系統可靠性的重要因素,同時(shí)直流輸電的可靠性指標直接關(guān)系到工程的可行性和系統設計、設備制造等各個(gè)環(huán)節的水平。從而指導設備優(yōu)化和設備的選型、同時(shí)系統設計和經(jīng)濟性分析中也要考慮到可靠性指標。
本文通過(guò)細化分區根據Markov理論來(lái)計算直流輸電系統的可靠性指標以及各元件對不可用率的貢獻。通過(guò)搭建特高壓直流系統的可靠性計算模型,對一次系統和二次系統進(jìn)行細化分區計算了各種設備對直流系統的可靠性指標的影響;尤其是對二次系統,從控制保護系統分層、分區的結構出發(fā)研究了其對直流系統可靠性的影響,特別是在國內的直流系統可靠性分析方面,首次建立了控制保護系統詳細的可靠性模型,在此基礎上,通過(guò)相應的分析計算,得出了特高壓直流工程的可靠性指標。該可靠性指標對指導設備生產(chǎn)和直流系統正常運行有重用意義。
1　特高壓直流工程可靠性的系統分析系統分析包括FMEA(故障型式和影響的分析),MEA(維修效果分析),可靠性和可用率模型(故障樹(shù))和系統計算。
分析可分為3個(gè)主要部分:①系統層次的定性分析(FMEA和故障樹(shù));②子系統層次的定性詳細分析(FMEA, MEA,故障樹(shù));③系統層次的最終定性和定量分析(系統計算和MEA)。
系統層次的定性分析研究HVDC主系統設計的RA(可靠性和可用率)影響,并檢查規范書(shū)中的基本要求完全達到。分析結果作為所采用的不同運行方式的可靠性框圖/可靠性故障樹(shù)的基礎。子系統層次的詳細分析處理FMEA,MEA,可靠性圖/故障樹(shù)和在系統層次定性分析時(shí)所定義的區塊的可靠性/可用率計算。這部分分析會(huì )成為本。工作的主要部分。
系統層次的最終分析包括含有各子系統接入的全系統的可靠性/可用率計算。
2　可靠性可用率計算
根據特高壓直流工程的特點(diǎn),建立了故障樹(shù)的子模型。主要的故障樹(shù)子模型有:換流閥(整流側/逆變側)故障樹(shù)模型,交流母線(xiàn)A故障樹(shù)模型,交流母線(xiàn)B故障樹(shù)模型,直流極母線(xiàn)路故障樹(shù)模型,交流濾波器組故障模型,控制保護系統的故障樹(shù)模型,輔助系統故障樹(shù)模型,直流場(chǎng)故障樹(shù)模型,直流中性母線(xiàn)故障樹(shù)模型等。在主要的故障樹(shù)子模型中還包含了一些小的故障樹(shù)模型,如交流母線(xiàn)A的故障樹(shù)模型中包括有母線(xiàn)CVT的子故障樹(shù)模型和交流濾波器的子故障模型等等。因此可以理解為在全站系統的層次下,有交流母線(xiàn)、晶閘管閥設備等區域設備層次的故障樹(shù)模型;在區域設備故障樹(shù)的層次下,又有獨立設備層次的故障樹(shù),如換流變、交流濾波器、CVT等;在獨立設備故障樹(shù)的層次下,還有設備組件層次的故障事件,如濾波器故障包括其中的高低壓電容器故障、小電感故障、電阻元件故障等。其中導致停運的各種因素如下:
1)導致單閥組停運的因素
(1)控制保護系統;
(2)輔助電源系統;
(3)換流變壓器區域包括換流變壓器;
(4)交流濾波器組;
(5)交流場(chǎng)。
2)導致單極停運的因素
(1)控制保護系統;
(2)輔助電源系統;
(3)直流極母線(xiàn)區域;
(4)平波電抗器;
(5)直流中性母線(xiàn)區域;
(6)交流濾波器組;
(7)直流濾波器組;
(8)直流場(chǎng);
(9)其它因素。
3)導致雙極停運的因素
(1)輔助電源系統;
(2)交流場(chǎng)區域;
(3)直流中性區域。
2.1　一次系統的分析
直流輸電系統的一次設備種類(lèi)、數量較多,對系統的可靠性的影響較大。
1)輔助電源系統的分析
雙極層,極層,換流閥層分別獨立的配置輔助電源,輔助電源的進(jìn)線(xiàn)總共有3回,兩回進(jìn)線(xiàn)來(lái)自500kV母線(xiàn),另外一回進(jìn)線(xiàn)來(lái)自中壓母線(xiàn)。輔助電源的故障可以導致單換流閥、單極和雙極的停運。
2)交流濾波器組的分析
此特高壓直流工程的交流的濾波器組按每站四大組配置,若兩大組濾波器停運,則會(huì )導致降低功率運行,若3大組濾波器停運,則只能單個(gè)換流閥運行。
3)直流濾波器組的分析
特高壓直流工程按每站每極一個(gè)直流濾波器組配置,故只要有一個(gè)直流濾波器高壓對地發(fā)生故障,則會(huì )導致單極停運。
4)平波電抗器的分析
特高壓直流工程按每站每極兩個(gè)75 ml的平波電抗器串聯(lián)布置,故只要極母線(xiàn)上有1個(gè)平波電抗器故障,則該極就會(huì )停運。每站有1個(gè)備用的平波電抗器。
5)直流中性母線(xiàn)區域的分析
單極的直流中性母線(xiàn)區域的設備主要為中性母線(xiàn)開(kāi)關(guān)和兩個(gè)避雷器(1個(gè)為平抗的避雷器,另1個(gè)為中性母線(xiàn)的避雷器),若其中有1個(gè)元件故障,則會(huì )導致單極停運。
6)換流閥區域分析
閥組主要由閥組設備本身(包括換流閥避雷器)和冷卻系統組成,閥組本身設備及冷卻系統故障均導致單閥組停運。它們之間是或的關(guān)系。
7)換流變區域的分析
特高壓直流工程采用單相雙繞組變壓器,故每站應有24臺變壓器,同時(shí)每站有4臺變壓器備用,故可以降低故障維修時(shí)間。若有1臺變壓器故障,則會(huì )導致單換流閥故障(每個(gè)單換流閥配有6個(gè)單相雙繞組變壓器)。
8)交流場(chǎng)區域的分析
交流場(chǎng)采用3/2接線(xiàn)的形式,對直流系統而言,我們只考慮交流場(chǎng)出線(xiàn)引起的直流系統的停運。從交流場(chǎng)引出8條出線(xiàn),分別與4大組濾波器和4個(gè)換流閥相連,若出線(xiàn)中發(fā)生接地故障,則會(huì )造成降功率運行或單換流閥組、單極、雙極停運。
9)接地極區域的分析
接地極區域對可靠性的影響的分析分為3個(gè)方面:
(1)造成極金屬回線(xiàn)運行時(shí)停運的設備分析;
(2)造成極大地回線(xiàn)運行時(shí)停運的設備分析;
(3)造成雙極運行時(shí)停運的設備分析。
10)線(xiàn)路故障導致單極停運
若線(xiàn)路故障,或線(xiàn)路兩端的線(xiàn)路避雷器發(fā)生故障都會(huì )導致單極停運。
11)極母線(xiàn)區域的分析
只要極母線(xiàn)上的元件有一個(gè)發(fā)生故障,則會(huì )造成單極停運。
12)其它因素的分析
如測量元件故障造成的直流系統停運,人為的誤操作,不明原因引起的直流系統的停運等等。
2.1.1　一次設備的故障樹(shù)模型
根據上述各區域造成的停運分析,可以得出一次系統的故障樹(shù)模型。
2.1.2　停運次數的分析計算
一次系統造成的單閥停運率為5.51×10-5,即每年的單閥停運次數為0.4826次/a,。一次系統造成的單極停運率為1.80×10-4,即每年的單極停運次數為1.577次/a。一次系統造成的雙極停運率為1. 80558×10-6,即每年的雙極停運次數為0.0158次/a。
2.1.3　可用率的分析計算
一次系統造成的單極不可用率為8.27×10-4,即強迫停運率為0.0827%,。一次系統造成的直流系統不可用率為1.1×10-43,即強迫停運率為0.11%。
2.2　二次系統(控制保護系統)的分析
控制系統被分為3個(gè)層次;雙極層,極層,換流閥層,為了減少子系統故障導致的系統可用率的降低,控制保護系統采用冗余系統,冗余的控制保護系統設備由控制系統和保護系統設備和一定數量的輸入/輸出接口組成,控制保護昔日的故障率主要是由于電路板故障引起的,電路故障可以導致單換流閥故障和單極停運,由控制保護系統引起的雙極停運不可預見(jiàn)。
2.2.1　故障樹(shù)模型
此特高壓直流工程控制系統經(jīng)過(guò)優(yōu)化采用分層、冗余雙重化方式,保護系統采用設備分區保護、3重化方式,根據各種設備之間的關(guān)系。
根據故障樹(shù)的結構在Riskspectrum中建立軟件模型,并根據統計的故障率和故障維修時(shí)間進(jìn)行可靠性和可用率的計算。
2.2.2　停運次數的分析計算
根據軟件的計算結果可計算出控制保護系統造成的單極停運次數0.326次/a。由此可得到雙極停運次數0.0012次/a。
2.2.3　不可用率的分析計算
軟件計算結果:由控制保護系統造成的不可用率(強迫停運率)為0.135%。
3　結論
a)±800 kV特高壓直流系統與常規直流系統相比,其采取每極2個(gè)12脈動(dòng)換流器串連的主回路布置方案,即使有一個(gè)換流器故障,也不會(huì )導致整個(gè)單極停運,因此此特高壓直流工程的單極停運率比常規直流輸電系統的單極停運率要低,同時(shí)雙極故障停運率也會(huì )相對較低。因此推薦此特高壓工程的可靠性與可用率值:強迫能量不可用率≤0.5%;單極強迫停運率≤2次/a;雙極強迫停運率≤0.05次/a。
b)本文在可靠性計算中,首次建立了詳細的控制保護系統可靠性模型,相對以前單純建立的一次設備模型得出的可靠性指標更加有說(shuō)服力。
c)細化分區建立的可靠性模型,考慮了直流所有相關(guān)設備對直流系統不可用率的影響,因此在設備選型時(shí)可對相關(guān)關(guān)鍵設備進(jìn)行特別關(guān)注。