特高壓直流工程的可靠性

特高壓直流工程的可靠性
引言 
隨著電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展和各區(qū)域電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的要求,特高壓直流輸電工程在遠(yuǎn)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(shì),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(shì)。而交直流聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn),致使直流系統(tǒng)的可靠性水平成為影響整個(gè)電力系統(tǒng)可靠性的重要因素,同時(shí)直流輸電的可靠性指標(biāo)直接關(guān)系到工程的可行性和系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備制造等各個(gè)環(huán)節(jié)的水平。從而指導(dǎo)設(shè)備優(yōu)化和設(shè)備的選型、同時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)性分析中也要考慮到可靠性指標(biāo)。
本文通過(guò)細(xì)化分區(qū)根據(jù)Markov理論來(lái)計(jì)算直流輸電系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)以及各元件對(duì)不可用率的貢獻(xiàn)。通過(guò)搭建特高壓直流系統(tǒng)的可靠性計(jì)算模型,對(duì)一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)化分區(qū)計(jì)算了各種設(shè)備對(duì)直流系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)的影響;尤其是對(duì)二次系統(tǒng),從控制保護(hù)系統(tǒng)分層、分區(qū)的結(jié)構(gòu)出發(fā)研究了其對(duì)直流系統(tǒng)可靠性的影響,特別是在國(guó)內(nèi)的直流系統(tǒng)可靠性分析方面,首次建立了控制保護(hù)系統(tǒng)詳細(xì)的可靠性模型,在此基礎(chǔ)上,通過(guò)相應(yīng)的分析計(jì)算,得出了特高壓直流工程的可靠性指標(biāo)。該可靠性指標(biāo)對(duì)指導(dǎo)設(shè)備生產(chǎn)和直流系統(tǒng)正常運(yùn)行有重用意義。
1　特高壓直流工程可靠性的系統(tǒng)分析系統(tǒng)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)和系統(tǒng)計(jì)算。
分析可分為3個(gè)主要部分:①系統(tǒng)層次的定性分析(FMEA和故障樹);②子系統(tǒng)層次的定性詳細(xì)分析(FMEA, MEA,故障樹);③系統(tǒng)層次的最終定性和定量分析(系統(tǒng)計(jì)算和MEA)。
系統(tǒng)層次的定性分析研究HVDC主系統(tǒng)設(shè)計(jì)的RA(可靠性和可用率)影響,并檢查規(guī)范書中的基本要求完全達(dá)到。分析結(jié)果作為所采用的不同運(yùn)行方式的可靠性框圖/可靠性故障樹的基礎(chǔ)。子系統(tǒng)層次的詳細(xì)分析處理FMEA,MEA,可靠性圖/故障樹和在系統(tǒng)層次定性分析時(shí)所定義的區(qū)塊的可靠性/可用率計(jì)算。這部分分析會(huì)成為本。工作的主要部分。
系統(tǒng)層次的最終分析包括含有各子系統(tǒng)接入的全系統(tǒng)的可靠性/可用率計(jì)算。
2　可靠性可用率計(jì)算
根據(jù)特高壓直流工程的特點(diǎn),建立了故障樹的子模型。主要的故障樹子模型有:換流閥(整流側(cè)/逆變側(cè))故障樹模型,交流母線A故障樹模型,交流母線B故障樹模型,直流極母線路故障樹模型,交流濾波器組故障模型,控制保護(hù)系統(tǒng)的故障樹模型,輔助系統(tǒng)故障樹模型,直流場(chǎng)故障樹模型,直流中性母線故障樹模型等。在主要的故障樹子模型中還包含了一些小的故障樹模型,如交流母線A的故障樹模型中包括有母線CVT的子故障樹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(tǒng)的層次下,有交流母線、晶閘管閥設(shè)備等區(qū)域設(shè)備層次的故障樹模型;在區(qū)域設(shè)備故障樹的層次下,又有獨(dú)立設(shè)備層次的故障樹,如換流變、交流濾波器、CVT等;在獨(dú)立設(shè)備故障樹的層次下,還有設(shè)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(dǎo)致停運(yùn)的各種因素如下:
1)導(dǎo)致單閥組停運(yùn)的因素
(1)控制保護(hù)系統(tǒng);
(2)輔助電源系統(tǒng);
(3)換流變壓器區(qū)域包括換流變壓器;
(4)交流濾波器組;
(5)交流場(chǎng)。
2)導(dǎo)致單極停運(yùn)的因素
(1)控制保護(hù)系統(tǒng);
(2)輔助電源系統(tǒng);
(3)直流極母線區(qū)域;
(4)平波電抗器;
(5)直流中性母線區(qū)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(dǎo)致雙極停運(yùn)的因素
(1)輔助電源系統(tǒng);
(2)交流場(chǎng)區(qū)域;
(3)直流中性區(qū)域。
2.1　一次系統(tǒng)的分析
直流輸電系統(tǒng)的一次設(shè)備種類、數(shù)量較多,對(duì)系統(tǒng)的可靠性的影響較大。
1)輔助電源系統(tǒng)的分析
雙極層,極層,換流閥層分別獨(dú)立的配置輔助電源,輔助電源的進(jìn)線總共有3回,兩回進(jìn)線來(lái)自500kV母線,另外一回進(jìn)線來(lái)自中壓母線。輔助電源的故障可以導(dǎo)致單換流閥、單極和雙極的停運(yùn)。
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(yùn),則會(huì)導(dǎo)致降低功率運(yùn)行,若3大組濾波器停運(yùn),則只能單個(gè)換流閥運(yùn)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(duì)地發(fā)生故障,則會(huì)導(dǎo)致單極停運(yùn)。
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,故只要極母線上有1個(gè)平波電抗器故障,則該極就會(huì)停運(yùn)。每站有1個(gè)備用的平波電抗器。
5)直流中性母線區(qū)域的分析
單極的直流中性母線區(qū)域的設(shè)備主要為中性母線開關(guān)和兩個(gè)避雷器(1個(gè)為平抗的避雷器,另1個(gè)為中性母線的避雷器),若其中有1個(gè)元件故障,則會(huì)導(dǎo)致單極停運(yùn)。
6)換流閥區(qū)域分析
閥組主要由閥組設(shè)備本身(包括換流閥避雷器)和冷卻系統(tǒng)組成,閥組本身設(shè)備及冷卻系統(tǒng)故障均導(dǎo)致單閥組停運(yùn)。它們之間是或的關(guān)系。
7)換流變區(qū)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(yīng)有24臺(tái)變壓器,同時(shí)每站有4臺(tái)變壓器備用,故可以降低故障維修時(shí)間。若有1臺(tái)變壓器故障,則會(huì)導(dǎo)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(qū)域的分析
交流場(chǎng)采用3/2接線的形式,對(duì)直流系統(tǒng)而言,我們只考慮交流場(chǎng)出線引起的直流系統(tǒng)的停運(yùn)。從交流場(chǎng)引出8條出線,分別與4大組濾波器和4個(gè)換流閥相連,若出線中發(fā)生接地故障,則會(huì)造成降功率運(yùn)行或單換流閥組、單極、雙極停運(yùn)。
9)接地極區(qū)域的分析
接地極區(qū)域?qū)�可靠性的影響的分析分�?個(gè)方面:
(1)造成極金屬回線運(yùn)行時(shí)停運(yùn)的設(shè)備分析;
(2)造成極大地回線運(yùn)行時(shí)停運(yùn)的設(shè)備分析;
(3)造成雙極運(yùn)行時(shí)停運(yùn)的設(shè)備分析。
10)線路故障導(dǎo)致單極停運(yùn)
若線路故障,或線路兩端的線路避雷器發(fā)生故障都會(huì)導(dǎo)致單極停運(yùn)。
11)極母線區(qū)域的分析
只要極母線上的元件有一個(gè)發(fā)生故障,則會(huì)造成單極停運(yùn)。
12)其它因素的分析
如測(cè)量元件故障造成的直流系統(tǒng)停運(yùn),人為的誤操作,不明原因引起的直流系統(tǒng)的停運(yùn)等等。
2.1.1　一次設(shè)備的故障樹模型
根據(jù)上述各區(qū)域造成的停運(yùn)分析,可以得出一次系統(tǒng)的故障樹模型。
2.1.2　停運(yùn)次數(shù)的分析計(jì)算
一次系統(tǒng)造成的單閥停運(yùn)率為5.51×10-5,即每年的單閥停運(yùn)次數(shù)為0.4826次/a,。一次系統(tǒng)造成的單極停運(yùn)率為1.80×10-4,即每年的單極停運(yùn)次數(shù)為1.577次/a。一次系統(tǒng)造成的雙極停運(yùn)率為1. 80558×10-6,即每年的雙極停運(yùn)次數(shù)為0.0158次/a。
2.1.3　可用率的分析計(jì)算
一次系統(tǒng)造成的單極不可用率為8.27×10-4,即強(qiáng)迫停運(yùn)率為0.0827%,。一次系統(tǒng)造成的直流系統(tǒng)不可用率為1.1×10-43,即強(qiáng)迫停運(yùn)率為0.11%。
2.2　二次系統(tǒng)(控制保護(hù)系統(tǒng))的分析
控制系統(tǒng)被分為3個(gè)層次;雙極層,極層,換流閥層,為了減少子系統(tǒng)故障導(dǎo)致的系統(tǒng)可用率的降低,控制保護(hù)系統(tǒng)采用冗余系統(tǒng),冗余的控制保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備由控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備和一定數(shù)量的輸入/輸出接口組成,控制保護(hù)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(dǎo)致單換流閥故障和單極停運(yùn),由控制保護(hù)系統(tǒng)引起的雙極停運(yùn)不可預(yù)見。
2.2.1　故障樹模型
此特高壓直流工程控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)優(yōu)化采用分層、冗余雙重化方式,保護(hù)系統(tǒng)采用設(shè)備分區(qū)保護(hù)、3重化方式,根據(jù)各種設(shè)備之間的關(guān)系。
根據(jù)故障樹的結(jié)構(gòu)在Riskspectrum中建立軟件模型,并根據(jù)統(tǒng)計(jì)的故障率和故障維修時(shí)間進(jìn)行可靠性和可用率的計(jì)算。
2.2.2　停運(yùn)次數(shù)的分析計(jì)算
根據(jù)軟件的計(jì)算結(jié)果可計(jì)算出控制保護(hù)系統(tǒng)造成的單極停運(yùn)次數(shù)0.326次/a。由此可得到雙極停運(yùn)次數(shù)0.0012次/a。
2.2.3　不可用率的分析計(jì)算
軟件計(jì)算結(jié)果:由控制保護(hù)系統(tǒng)造成的不可用率(強(qiáng)迫停運(yùn)率)為0.135%。
3　結(jié)論
a)±800 kV特高壓直流系統(tǒng)與常規(guī)直流系統(tǒng)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(dǎo)致整個(gè)單極停運(yùn),因此此特高壓直流工程的單極停運(yùn)率比常規(guī)直流輸電系統(tǒng)的單極停運(yùn)率要低,同時(shí)雙極故障停運(yùn)率也會(huì)相對(duì)較低。因此推薦此特高壓工程的可靠性與可用率值:強(qiáng)迫能量不可用率≤0.5%;單極強(qiáng)迫停運(yùn)率≤2次/a;雙極強(qiáng)迫停運(yùn)率≤0.05次/a。
b)本文在可靠性計(jì)算中,首次建立了詳細(xì)的控制保護(hù)系統(tǒng)可靠性模型,相對(duì)以前單純建立的一次設(shè)備模型得出的可靠性指標(biāo)更加有說(shuō)服力。
c)細(xì)化分區(qū)建立的可靠性模型,考慮了直流所有相關(guān)設(shè)備對(duì)直流系統(tǒng)不可用率的影響,因此在設(shè)備選型時(shí)可對(duì)相關(guān)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行特別關(guān)注。