劉益江　韓祎菲　張永良

［摘 要］本文旨在對特高壓直流（UHVDC）一次設(shè)備的運(yùn)行可靠性進(jìn)行分析，并探討相應(yīng)的評估方法和改進(jìn)措施。本文介紹了UHVDC技術(shù)的工作原理，闡述了UHVDC一次設(shè)備在電力系統(tǒng)中的重要作用，探討了UHVDC一次設(shè)備所面臨的故障和失效風(fēng)險，并分析可能存在的影響和后果。此外，還介紹了可靠性評估方法，包括故障樹分析、失效模式與影響分析等，用于識別關(guān)鍵部件和系統(tǒng)的潛在故障，并提出改進(jìn)和預(yù)防措施，以提高UHVDC一次設(shè)備的運(yùn)行可靠性。通過對UHVDC一次設(shè)備的運(yùn)行可靠性分析，可以為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和可靠供電提供重要參考，為電力行業(yè)的發(fā)展和能源轉(zhuǎn)型做出貢獻(xiàn)。

［關(guān)鍵詞］特高壓；直流；一次設(shè)備；運(yùn)行；可靠性

［中圖分類號］TM8文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

特高壓直流（Ultra-High Voltage Direct Current，以下簡稱“UHVDC”）技術(shù)作為電力傳輸領(lǐng)域的重要創(chuàng)新，具有高效、遠(yuǎn)距離傳輸和大容量輸電的優(yōu)勢。在UHVDC系統(tǒng)中，一次設(shè)備承擔(dān)著關(guān)鍵的傳輸和轉(zhuǎn)換功能，對系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性起著至關(guān)重要的作用。保障UHVDC一次設(shè)備的運(yùn)行可靠性對于確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行、提高電力傳輸效率和保證供電質(zhì)量具有重要意義。目前，UHVDC一次設(shè)備面臨著多種潛在的故障和失效風(fēng)險，如電氣故障、設(shè)備老化、環(huán)境因素等，這些因素可能導(dǎo)致設(shè)備性能下降、運(yùn)行中斷甚至系統(tǒng)故障。因此，對UHVDC一次設(shè)備的運(yùn)行可靠性進(jìn)行分析和評估是至關(guān)重要的。通過深入研究UHVDC一次設(shè)備的工作原理、結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特點(diǎn)，并結(jié)合可靠性評估方法的應(yīng)用，可以有效識別潛在的故障模式和失效影響，為改進(jìn)設(shè)備設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理提供有力依據(jù)。

1 UHVDC技術(shù)的工作原理

UHVDC技術(shù)是一種電力傳輸和轉(zhuǎn)換技術(shù)，具有高電壓、高效率和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。UHVDC系統(tǒng)使用換流器將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，或者將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。換流器由多個可控硅器件（Thyristor）組成，通過控制硅器件的導(dǎo)通和截止，實(shí)現(xiàn)電流的正向和反向傳輸［1］。UHVDC系統(tǒng)需要提供高電壓的直流電壓源，通常使用直流發(fā)電機(jī)或者整流變壓器來實(shí)現(xiàn)?；ジ衅饔糜谔峁Q流器所需的控制信號和反饋信號，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和正常工作。UHVDC系統(tǒng)通過特殊設(shè)計(jì)的傳輸線路進(jìn)行電力傳輸，通常采用高壓直流電纜或者空中輸電線路。UHVDC技術(shù)通過將電力轉(zhuǎn)換為直流形式進(jìn)行傳輸，克服了傳統(tǒng)交流輸電系統(tǒng)的一些限制，如電流損耗、電壓降低和電容電感等問題?？梢詫?shí)現(xiàn)更長距離的電力傳輸、提高輸電效率，并在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)大容量電力輸送。

UHVDC技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離電力傳輸，有效解決了傳統(tǒng)交流輸電系統(tǒng)中長距離輸電帶來的電能損耗和電壓降低等問題?？梢詫㈦娏倪h(yuǎn)離發(fā)電站的地區(qū)高效地輸送到負(fù)荷中心，提高電力資源的利用率和供電可靠性。UHVDC技術(shù)具有較高的輸電容量，可以滿足日益增長的電力需求。相比傳統(tǒng)交流輸電系統(tǒng)，UHVDC系統(tǒng)能夠承載更大的電流和功率，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的電力輸送，特別適用于跨國電力交換和大型能源基地的連接。UHVDC技術(shù)能夠有效實(shí)現(xiàn)不同電網(wǎng)之間的電力互聯(lián)，促進(jìn)區(qū)域間的電力合作和能源共享。通過UHVDC連接，不同地區(qū)的電力系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)，優(yōu)化電力資源配置，提高能源利用效率。UHVDC技術(shù)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，能夠減少電力系統(tǒng)的故障和失效風(fēng)險。通過優(yōu)化電力傳輸方式，降低輸電線路的電阻和電感，減少電力系統(tǒng)的短路故障和功率損耗，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行能力。

2 UHVDC一次設(shè)備所面臨的故障和失效風(fēng)險

UHVDC一次設(shè)備作為UHVDC系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分，承擔(dān)著電力轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)闹匾δ?。同時，它也面臨著一些潛在的故障和失效風(fēng)險，可能影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行和可靠性。UHVDC一次設(shè)備中的絕緣系統(tǒng)可能失效，導(dǎo)致電壓擊穿和漏電等問題。這可能由于絕緣材料老化、絕緣子污穢、環(huán)境因素和操作失誤等原因引起。UHVDC一次設(shè)備中的硬件元件如可控硅器件、電容器和電感器等可能發(fā)生故障。例如，可控硅器件可能出現(xiàn)導(dǎo)通或截止失效，電容器可能出現(xiàn)漏電或短路，電感器可能出現(xiàn)斷線或電感變化。UHVDC一次設(shè)備的直流電源系統(tǒng)可能發(fā)生故障，導(dǎo)致電壓波動、電源中斷或不穩(wěn)定。這可能由于電源故障、電壓調(diào)節(jié)器失效或供電線路故障等原因引起。

UHVDC一次設(shè)備的控制系統(tǒng)可能發(fā)生故障，導(dǎo)致信號傳輸錯誤或操作失誤。這可能由于控制電路故障、傳感器故障、通信故障或操作人員錯誤等原因引起。UHVDC一次設(shè)備所處的環(huán)境因素如溫度、濕度、氣候等可能對設(shè)備的運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。例如，高溫、高濕度環(huán)境可能導(dǎo)致設(shè)備絕緣性能下降，氣候變化可能引起設(shè)備腐蝕和老化。這些故障和失效風(fēng)險可能對UHVDC一次設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性造成影響［2］。因此，對這些潛在風(fēng)險進(jìn)行充分的分析和評估，并采取相應(yīng)的預(yù)防措施和維護(hù)策略，對于確保UHVDC系統(tǒng)的可靠運(yùn)行具有重要意義。

3 特高壓直流一次設(shè)備運(yùn)行可靠性評估方法

3.1 故障樹分析

故障樹分析是一種定性和定量的故障分析方法，用于識別系統(tǒng)故障的潛在原因和失效路徑。在UHVDC一次設(shè)備的運(yùn)行可靠性評估中，故障樹分析可以幫助確定導(dǎo)致系統(tǒng)失效的主要因素，并評估其對設(shè)備可靠性的影響。頂事件是指系統(tǒng)故障或失效的最終結(jié)果，如UHVDC一次設(shè)備的停止工作、電壓失控等。確定頂事件是故障樹分析的起點(diǎn)?；臼录菢?gòu)成故障樹的最小事件，可以直接導(dǎo)致頂事件的發(fā)生。在UHVDC一次設(shè)備的故障樹中，基本事件可能包括硬件故障（如器件故障、電路故障）、控制系統(tǒng)故障、電源故障等。邏輯門是連接基本事件的邏輯關(guān)系，用于描述基本事件之間的邏輯組合和關(guān)聯(lián)。常用的邏輯門包括與門（AND）、或門（OR）、優(yōu)先門（Priority）、禁門（Inhibit）等。根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)和要求，組織和構(gòu)建故障樹結(jié)構(gòu)。將頂事件作為樹的根節(jié)點(diǎn)，基本事件作為葉子節(jié)點(diǎn)，通過邏輯門連接各個事件，形成一個完整的故障樹模型。通過概率分析和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，對故障樹中的事件發(fā)生概率進(jìn)行定量評估?？梢岳脷v史故障數(shù)據(jù)、專家判斷和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等來確定事件的概率。根據(jù)故障樹的結(jié)構(gòu)和事件概率，通過邏輯運(yùn)算計(jì)算頂事件的概率。可以幫助評估UHVDC一次設(shè)備的失效概率和可靠性水平。根據(jù)故障樹分析的結(jié)果，識別導(dǎo)致系統(tǒng)失效的主要因素和故障路徑，并提出相應(yīng)的改進(jìn)和預(yù)防措施。可以幫助提高UHVDC一次設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。

3.2 失效模式與影響分析

失效模式與影響分析是一種系統(tǒng)性的方法，用于識別和評估系統(tǒng)組件的失效模式、影響和嚴(yán)重性。在特高壓直流（UHVDC）一次設(shè)備的運(yùn)行可靠性評估中，失效模式與影響分析可以幫助確定關(guān)鍵部件的失效模式并評估其對設(shè)備可靠性的影響。對UHVDC一次設(shè)備的各個關(guān)鍵部件進(jìn)行仔細(xì)分析，識別可能的失效模式。失效模式是指組件在特定工作條件下可能出現(xiàn)的失效形式，如短路、斷路、漏電等［3］。對每個失效模式評估其對設(shè)備性能和可靠性的影響。考慮失效后可能導(dǎo)致的故障現(xiàn)象、設(shè)備性能降低、安全風(fēng)險等因素，對失效影響進(jìn)行定量或定性評估。根據(jù)失效影響的評估結(jié)果，確定每個失效模式的嚴(yán)重性等級。通常使用定性評估，將失效嚴(yán)重性劃分為不同的等級，如高、中、低等級。對于識別出的高嚴(yán)重性失效模式，制定相應(yīng)的控制措施和改進(jìn)措施?？赡馨ㄔ鰪?qiáng)維護(hù)措施、改進(jìn)設(shè)計(jì)、加強(qiáng)監(jiān)測和檢測等，以降低失效風(fēng)險和提高設(shè)備的可靠性。隨著UHVDC一次設(shè)備的運(yùn)行和維護(hù)，及時更新失效模式與影響分析的結(jié)果，并持續(xù)監(jiān)測設(shè)備的性能和失效情況。可以幫助發(fā)現(xiàn)新的失效模式和改進(jìn)措施，并確保設(shè)備可靠性的持續(xù)改進(jìn)。

3.3 可靠性指標(biāo)評估

可靠性指標(biāo)評估是通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，對UHVDC一次設(shè)備的可靠性進(jìn)行定量評估。常用的可靠性指標(biāo)可以幫助評估UHVDC一次設(shè)備的失效概率和可靠性水平，為設(shè)備運(yùn)行和維護(hù)提供參考。MTBF（Mean Time Between Failure）是指設(shè)備在連續(xù)運(yùn)行一段時間內(nèi)的平均故障間隔時間。通過記錄設(shè)備的故障發(fā)生時間和修復(fù)時間，可以計(jì)算出MTBF，可以作為評估設(shè)備可靠性的重要指標(biāo)。失效率是指單位時間內(nèi)設(shè)備發(fā)生故障的頻率。通常以每小時或每年的故障次數(shù)表示。失效率越低，表示設(shè)備的可靠性越高?？煽啃灾笖?shù)是一種綜合的可靠性評估指標(biāo)，用于評估設(shè)備在一定時間內(nèi)正常運(yùn)行的概率。可靠性指數(shù)可以通過設(shè)備的故障數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算得出，它反映了設(shè)備在給定時間內(nèi)的可靠性水平?？煽啃灾笖?shù)是一種綜合的可靠性評估指標(biāo)，用于評估設(shè)備在一定時間內(nèi)正常運(yùn)行的概率?？煽啃灾笖?shù)可以通過設(shè)備的故障數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算得出，它反映了設(shè)備在給定時間內(nèi)的可靠性水平。在故障樹分析中，可以通過概率分析和邏輯運(yùn)算，計(jì)算出頂事件的概率［4］。頂事件的概率可以作為評估UHVDC一次設(shè)備的失效概率和可靠性水平的重要指標(biāo)。

3.4 維修策略優(yōu)化

維修策略優(yōu)化是在UHVDC一次設(shè)備的運(yùn)行可靠性評估基礎(chǔ)上，制定和優(yōu)化設(shè)備的維修計(jì)劃和策略，以提高設(shè)備的可用性和可靠性。通過合理的維修策略，可以降低故障風(fēng)險、減少維修成本，并最大限度地保障設(shè)備的正常運(yùn)行。其中，預(yù)防性維護(hù)是一種定期進(jìn)行的維護(hù)活動，旨在防止設(shè)備故障的發(fā)生。通過定期檢查、清潔、潤滑和更換關(guān)鍵部件等操作，可以延長設(shè)備的使用壽命，降低故障發(fā)生的概率。在制定預(yù)防性維護(hù)計(jì)劃時，需要考慮設(shè)備的運(yùn)行狀況、制造商的建議、歷史故障數(shù)據(jù)等因素。利用先進(jìn)的故障診斷技術(shù)和在線監(jiān)測系統(tǒng)，可以對UHVDC一次設(shè)備進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和故障診斷。通過監(jiān)測關(guān)鍵參數(shù)、振動、溫度、壓力等指標(biāo)，可以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常情況和潛在故障，并采取相應(yīng)的維修措施。故障診斷和監(jiān)測可以幫助提前預(yù)警和排除故障，減少設(shè)備的停機(jī)時間和維修成本。合理管理備件和優(yōu)化庫存是維修策略優(yōu)化的重要方面。根據(jù)設(shè)備的關(guān)鍵性和故障概率，確定合理的備件庫存水平，以滿足設(shè)備維修的需求。同時，采用先進(jìn)的備件管理技術(shù)，如物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和自動化倉儲系統(tǒng)，可以提高備件管理的效率和準(zhǔn)確性。

4 特高壓直流一次設(shè)備運(yùn)行可靠性改進(jìn)措施

4.1 定期檢修和維護(hù)

定期檢修和維護(hù)是提升UHVDC一次設(shè)備運(yùn)行可靠性的重要措施。通過定期檢修和維護(hù)，可以確保設(shè)備處于良好的工作狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)并修復(fù)潛在問題，以保障設(shè)備的正常運(yùn)行。制定詳細(xì)的維護(hù)計(jì)劃，包括維護(hù)周期、維護(hù)內(nèi)容和維護(hù)方法等。根據(jù)設(shè)備的特點(diǎn)和要求，確定不同部件的檢修周期和維護(hù)任務(wù)，確保全面、系統(tǒng)地進(jìn)行維護(hù)工作。定期對設(shè)備進(jìn)行清潔和潤滑，去除灰塵、污垢和沉積物。對移動部件進(jìn)行潤滑，以減少摩擦和磨損，保持設(shè)備的良好運(yùn)行狀態(tài)。

4.2 強(qiáng)化維護(hù)培訓(xùn)

通過培訓(xùn)和提升維護(hù)人員的技能和知識水平，可以確保其具備正確的維護(hù)操作和安全意識，從而有效地執(zhí)行設(shè)備的維護(hù)工作。提供全面的設(shè)備操作規(guī)程和操作手冊，明確說明設(shè)備的正確操作方法、步驟和注意事項(xiàng)。培訓(xùn)維護(hù)人員熟悉并遵守操作規(guī)程，以確保設(shè)備在操作過程中不會出現(xiàn)錯誤。提供維護(hù)人員所需的設(shè)備知識和技能培訓(xùn)。其中包括了解設(shè)備的原理和結(jié)構(gòu)、掌握維護(hù)工具和設(shè)備的使用方法、學(xué)習(xí)常見故障診斷和排除方法等。培訓(xùn)維護(hù)人員掌握必要的設(shè)備知識和技能，使其能夠熟練操作和維護(hù)設(shè)備。

4.3 引入先進(jìn)監(jiān)測技術(shù)

通過應(yīng)用先進(jìn)的監(jiān)測技術(shù)，可以實(shí)時監(jiān)測設(shè)備的狀態(tài)和性能，及時發(fā)現(xiàn)異常情況和潛在故障，以采取相應(yīng)的維修措施，保障設(shè)備的正常運(yùn)行。利用振動傳感器和分析技術(shù)，監(jiān)測設(shè)備的振動情況。通過分析振動信號的頻譜和特征，可以判斷設(shè)備是否存在異常振動，如不平衡、軸承故障等，并及時采取維修措施。使用紅外熱像儀對設(shè)備進(jìn)行熱圖掃描，以檢測設(shè)備的溫度分布和熱異常。異常的熱點(diǎn)可能暗示著電器元件存在故障、過載或熱失控等問題，通過紅外熱像儀可以及早發(fā)現(xiàn)并解決這些問題。

4.4 預(yù)防性維護(hù)和故障分析

制定定期的預(yù)防性維護(hù)計(jì)劃，包括對關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行定期檢查、維護(hù)和更換關(guān)鍵部件等。預(yù)防性維護(hù)計(jì)劃應(yīng)根據(jù)設(shè)備的特點(diǎn)和制造商的建議確定，以減少潛在故障的發(fā)生。收集和分析設(shè)備的故障數(shù)據(jù)，了解設(shè)備的故障模式、頻率和原因。通過故障數(shù)據(jù)分析，可以確定設(shè)備的關(guān)鍵故障點(diǎn)，并采取相應(yīng)的預(yù)防措施，以減少故障的發(fā)生。應(yīng)用故障樹分析方法，對設(shè)備的故障進(jìn)行深入分析和評估。故障樹分析可以幫助確定故障的起因和傳播路徑，識別關(guān)鍵故障模式，并制定相應(yīng)的預(yù)防措施和改進(jìn)計(jì)劃。

5 結(jié)語

本研究對特高壓直流一次設(shè)備的運(yùn)行可靠性進(jìn)行了分析。通過對UHVDC一次設(shè)備的工作原理和可靠性評估方法的研究，提出了相應(yīng)的改進(jìn)和預(yù)防措施，以提高UHVDC一次設(shè)備的運(yùn)行可靠性，保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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［4］孟耿瓊. ±800kV特高壓直流輸電線路帶電檢修工器具研制和現(xiàn)場實(shí)用研究［D］. 宜昌：三峽大學(xué)，2016.

［作者簡介］劉益江，男，陜西西安人，國網(wǎng)陜西省電力有限公司超高壓公司，助理工程師，本科，研究方向：特高壓輸變電工程研究。

韓祎菲，女，陜西咸陽人，國網(wǎng)陜西省電力有限公司超高壓公司，助理工程師，本科，研究方向：特高壓輸變電工程研究。

張永良，男，陜西西安人，國網(wǎng)陜西省電力有限公司超高壓公司，工程師，碩士，研究方向：特高壓直流工程規(guī)劃與發(fā)展。