特高压直流工程的可靠性

特高压直流工程的可靠性
引言 
随着电网网架结构的扩展和各区域电网联网的要求,特高压直流输电工程在远距离大容量输送方面较交流输电具有较多和较大的优势,因此发展特高压直流输电必将成为今后电网发展的主要趋势。而交直流联网的出现,致使直流系统的可靠性水平成为影响整个电力系统可靠性的重要因素,同时直流输电的可靠性指标直接关系到工程的可行性和系统设计、设备制造等各个环节的水平。从而指导设备优化和设备的选型、同时系统设计和经济性分析中也要考虑到可靠性指标。
本文通过细化分区根据Markov理论来计算直流输电系统的可靠性指标以及各元件对不可用率的贡献。通过搭建特高压直流系统的可靠性计算模型,对一次系统和二次系统进行细化分区计算了各种设备对直流系统的可靠性指标的影响;尤其是对二次系统,从控制保护系统分层、分区的结构出发研究了其对直流系统可靠性的影响,特别是在国内的直流系统可靠性分析方面,首次建立了控制保护系统详细的可靠性模型,在此基础上,通过相应的分析计算,得出了特高压直流工程的可靠性指标。该可靠性指标对指导设备生产和直流系统正常运行有重用意义。
1　特高压直流工程可靠性的系统分析系统分析包括FMEA(故障型式和影响的分析),MEA(维修效果分析),可靠性和可用率模型(故障树)和系统计算。
分析可分为3个主要部分:①系统层次的定性分析(FMEA和故障树);②子系统层次的定性详细分析(FMEA, MEA,故障树);③系统层次的最终定性和定量分析(系统计算和MEA)。
系统层次的定性分析研究HVDC主系统设计的RA(可靠性和可用率)影响,并检查规范书中的基本要求完全达到。分析结果作为所采用的不同运行方式的可靠性框图/可靠性故障树的基础。子系统层次的详细分析处理FMEA,MEA,可靠性图/故障树和在系统层次定性分析时所定义的区块的可靠性/可用率计算。这部分分析会成为本。工作的主要部分。
系统层次的最终分析包括含有各子系统接入的全系统的可靠性/可用率计算。
2　可靠性可用率计算
根据特高压直流工程的特点,建立了故障树的子模型。主要的故障树子模型有:换流阀(整流侧/逆变侧)故障树模型,交流母线A故障树模型,交流母线B故障树模型,直流极母线路故障树模型,交流滤波器组故障模型,控制保护系统的故障树模型,辅助系统故障树模型,直流场故障树模型,直流中性母线故障树模型等。在主要的故障树子模型中还包含了一些小的故障树模型,如交流母线A的故障树模型中包括有母线CVT的子故障树模型和交流滤波器的子故障模型等等。因此可以理解为在全站系统的层次下,有交流母线、晶闸管阀设备等区域设备层次的故障树模型;在区域设备故障树的层次下,又有独立设备层次的故障树,如换流变、交流滤波器、CVT等;在独立设备故障树的层次下,还有设备组件层次的故障事件,如滤波器故障包括其中的高低压电容器故障、小电感故障、电阻元件故障等。其中导致停运的各种因素如下:
1)导致单阀组停运的因素
(1)控制保护系统;
(2)辅助电源系统;
(3)换流变压器区域包括换流变压器;
(4)交流滤波器组;
(5)交流场。
2)导致单极停运的因素
(1)控制保护系统;
(2)辅助电源系统;
(3)直流极母线区域;
(4)平波电抗器;
(5)直流中性母线区域;
(6)交流滤波器组;
(7)直流滤波器组;
(8)直流场;
(9)其它因素。
3)导致双极停运的因素
(1)辅助电源系统;
(2)交流场区域;
(3)直流中性区域。
2.1　一次系统的分析
直流输电系统的一次设备种类、数量较多,对系统的可靠性的影响较大。
1)辅助电源系统的分析
双极层,极层,换流阀层分别独立的配置辅助电源,辅助电源的进线总共有3回,两回进线来自500kV母线,另外一回进线来自中压母线。辅助电源的故障可以导致单换流阀、单极和双极的停运。
2)交流滤波器组的分析
此特高压直流工程的交流的滤波器组按每站四大组配置,若两大组滤波器停运,则会导致降低功率运行,若3大组滤波器停运,则只能单个换流阀运行。
3)直流滤波器组的分析
特高压直流工程按每站每极一个直流滤波器组配置,故只要有一个直流滤波器高压对地发生故障,则会导致单极停运。
4)平波电抗器的分析
特高压直流工程按每站每极两个75 ml的平波电抗器串联布置,故只要极母线上有1个平波电抗器故障,则该极就会停运。每站有1个备用的平波电抗器。
5)直流中性母线区域的分析
单极的直流中性母线区域的设备主要为中性母线开关和两个避雷器(1个为平抗的避雷器,另1个为中性母线的避雷器),若其中有1个元件故障,则会导致单极停运。
6)换流阀区域分析
阀组主要由阀组设备本身(包括换流阀避雷器)和冷却系统组成,阀组本身设备及冷却系统故障均导致单阀组停运。它们之间是或的关系。
7)换流变区域的分析
特高压直流工程采用单相双绕组变压器,故每站应有24台变压器,同时每站有4台变压器备用,故可以降低故障维修时间。若有1台变压器故障,则会导致单换流阀故障(每个单换流阀配有6个单相双绕组变压器)。
8)交流场区域的分析
交流场采用3/2接线的形式,对直流系统而言,我们只考虑交流场出线引起的直流系统的停运。从交流场引出8条出线,分别与4大组滤波器和4个换流阀相连,若出线中发生接地故障,则会造成降功率运行或单换流阀组、单极、双极停运。
9)接地极区域的分析
接地极区域对可靠性的影响的分析分为3个方面:
(1)造成极金属回线运行时停运的设备分析;
(2)造成极大地回线运行时停运的设备分析;
(3)造成双极运行时停运的设备分析。
10)线路故障导致单极停运
若线路故障,或线路两端的线路避雷器发生故障都会导致单极停运。
11)极母线区域的分析
只要极母线上的元件有一个发生故障,则会造成单极停运。
12)其它因素的分析
如测量元件故障造成的直流系统停运,人为的误操作,不明原因引起的直流系统的停运等等。
2.1.1　一次设备的故障树模型
根据上述各区域造成的停运分析,可以得出一次系统的故障树模型。
2.1.2　停运次数的分析计算
一次系统造成的单阀停运率为5.51×10-5,即每年的单阀停运次数为0.4826次/a,。一次系统造成的单极停运率为1.80×10-4,即每年的单极停运次数为1.577次/a。一次系统造成的双极停运率为1. 80558×10-6,即每年的双极停运次数为0.0158次/a。
2.1.3　可用率的分析计算
一次系统造成的单极不可用率为8.27×10-4,即强迫停运率为0.0827%,。一次系统造成的直流系统不可用率为1.1×10-43,即强迫停运率为0.11%。
2.2　二次系统(控制保护系统)的分析
控制系统被分为3个层次;双极层,极层,换流阀层,为了减少子系统故障导致的系统可用率的降低,控制保护系统采用冗余系统,冗余的控制保护系统设备由控制系统和保护系统设备和一定数量的输入/输出接口组成,控制保护昔日的故障率主要是由于电路板故障引起的,电路故障可以导致单换流阀故障和单极停运,由控制保护系统引起的双极停运不可预见。
2.2.1　故障树模型
此特高压直流工程控制系统经过优化采用分层、冗余双重化方式,保护系统采用设备分区保护、3重化方式,根据各种设备之间的关系。
根据故障树的结构在Riskspectrum中建立软件模型,并根据统计的故障率和故障维修时间进行可靠性和可用率的计算。
2.2.2　停运次数的分析计算
根据软件的计算结果可计算出控制保护系统造成的单极停运次数0.326次/a。由此可得到双极停运次数0.0012次/a。
2.2.3　不可用率的分析计算
软件计算结果:由控制保护系统造成的不可用率(强迫停运率)为0.135%。
3　结论
a)±800 kV特高压直流系统与常规直流系统相比,其采取每极2个12脉动换流器串连的主回路布置方案,即使有一个换流器故障,也不会导致整个单极停运,因此此特高压直流工程的单极停运率比常规直流输电系统的单极停运率要低,同时双极故障停运率也会相对较低。因此推荐此特高压工程的可靠性与可用率值:强迫能量不可用率≤0.5%;单极强迫停运率≤2次/a;双极强迫停运率≤0.05次/a。
b)本文在可靠性计算中,首次建立了详细的控制保护系统可靠性模型,相对以前单纯建立的一次设备模型得出的可靠性指标更加有说服力。
c)细化分区建立的可靠性模型,考虑了直流所有相关设备对直流系统不可用率的影响,因此在设备选型时可对相关关键设备进行特别关注。