学术简报｜基于马尔科夫模型的直流断路器可靠性评估方法
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华北电力大学电气与电子工程学院、国网浙江省电力有限公司湖州供电公司的研究人员赵书涛、王波、华回春、朱继鹏，在2019年《电工技术学报》增刊1上撰文指出，直流断路器控制电流通断过程的成败取决于整体的可靠性。
基于机械式、混合式和全固态直流断路器的拓扑结构，采用故障树梳理各支路的故障事件。利用马尔科夫评估模型描述直流断路器组成部件与整体，以及不同故障状态间的转移过程，提出基于故障率和可用率特征参量评价不同拓扑结构直流断路器平稳运行状态概率的方法。最后对±7.5kV中压直流配电网的三种不同拓扑结构直流断路器进行可靠性计算，辨识影响其整体可靠性的薄弱环节，并对可靠性随冗余设计的变化趋势进行预测。
结果表明，目前机械式直流断路器可用率最高，机械开关、IGBT模块是制约断路器可靠性提升的主要因素。随着电力电子器件技术发展，通过合理的冗余设计，全固态直流断路器可用率将超过机械式，在未来直流配电网发展中更具应用优势。
直流配电网方便接纳分布式电源和为直流负荷供电，由于系统没有电流过零点且切换速度要求高，对作为保护控制设备的直流断路器可靠性提出了极大挑战。目前针对直流断路器的研究主要集中在结构设计以及快速直流分断和绝缘配合等方面，并研制出一些用于试验和运行的样机产品，关键电力电子器件串并联的均压、均流与触发特性，以及其他部件的稳定性决定了断路器的整体可靠性。
直流断路器研究正处在解决大容量、低损耗和低成本的技术攻坚阶段，由于投运的数量有限，更缺乏长期可靠运行的经验，描述直流断路器在其寿命周期内执行能力的确定性存在困难，目前在可靠性评估理论和运行物理数据累积方面尚缺乏足够的基础支撑。
对直流断路器可靠性评估国内外鲜有报道，不同拓扑结构直流断路器的元件类型、数量不同，导致失效率、可用率和修复时间的差别。徐习东等利用美国军用手册上电子元件失效参数对直流断路器可靠性做了预测，但其仅计算故障率作为可靠性的单一指标，建立的部件计数法模型尚不能全面表征直流断路器可靠程度。另外在如何辨识直流断路器薄弱环节，以及配置合理的冗余来提高直流断路器可靠性方面也尚未展开深入研究。因此对直流断路器设计合理性、运行可靠性的研究已成为当今直流输配电网飞速发展亟需解决的问题之一。
马尔科夫模型作为可维修系统可靠性分析的重要方法，可描述为一种状态向另一种状态转移的随机过程，在负荷预测及微电网可靠性评估方面得以广泛应用，对研究设备剩余寿命预测与检修决策及继电保护冗余设置起到一定效果。
本文考虑直流断路器由正常状态转移到故障状态及经修复后恢复正常状态，与断路器本身工作机理、拓扑结构和冗余设计有关。提出基于失效率和可用率特征参量，由马尔科夫模型描述直流断路器整体状态转移的随机概率，并通过薄弱环节及冗余分析为直流断路器设计提供依据。
首先对三种不同拓扑的直流断路器进行部件故障事件分析，然后结合故障树分析法及马尔科夫过程得到状态转移图，再根据状态转移图建立Chapman-Kolmogorov方程并得到转移矩阵，由各个状态的概率得到直流断路器的可用率，最后判定可靠性低的即为直流断路器的薄弱环节，从微观角度的冗余分析可见，提升直流断路器可靠性的关键在于合理的设计。
图4 机械式直流断路器马尔科夫状态转移图
图7 三种直流断路器可靠性指标的比较
目前直流断路器投运数量少、运行数据缺乏，给设备可靠运行和检修造成了一定困难。利用部件参数和拓扑结构计算电气设备的可靠性指标，可以预测其稳定状态到故障状态转移过程，并及时发现薄弱环节，有助于实现直流断路器的低可用率部件有效维护。
1）在采用故障树分析法梳理直流断路器失效事件的基础上，建立马尔科夫模型描述其状态随机转移过程，通过计算和对比故障率和可靠性指标，可有效地预测不同拓扑结构断路器可靠性的差异。
2）机械式直流断路器的薄弱环节是机械开关部件，全固态与混合式直流断路器中IGBT器件失效率高，在选用高质量部件减小故障率的同时，合理设计断路器结构和冗余量是应对薄弱环节故障的有效途径，此外运行时应加强对薄弱部位的关注和巡视，确保直流断路器最大化正常状态运行。
3）通过本文故障率和可用率的计算，发现结构简单的机械式直流断路器可靠性最高，全固态式与混合式由于部件多及电力电子器件的脆弱，目前可靠性尚不够理想。随着技术的发展，IGBT质量更好、成本更低，IGBT支路数量足够高即可使直流断路器可靠性提升到实用阶段。
限于投运断路器失效数据样本有限，本文可靠性计算结果仍未完善，今后随着直流断路器设计、运行及检修的进行和数据累积，基于马尔科夫模型评估其可靠性也将越来越准确。