黃晨，劉源，康文

(國網(wǎng)湖南省電力公司檢修公司，湖南長沙410007)

HVDC閥水冷系統(tǒng)主循環(huán)回路電動(dòng)閥隱患分析

黃晨，劉源，康文

(國網(wǎng)湖南省電力公司檢修公司，湖南長沙410007)

文章以鵝城換流站閥水冷系統(tǒng)為例，通過分析主循環(huán)回路中電動(dòng)閥的控制邏輯，指出其中存在導(dǎo)致直流系統(tǒng)閉鎖的隱患，提出的應(yīng)對(duì)措施避免因電動(dòng)閥門故障導(dǎo)致直流系統(tǒng)閉鎖，保證了換流站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

HVDC；換流站；閥水冷系統(tǒng)；電動(dòng)閥；隱患分析；直流閉鎖

換流閥冷卻系統(tǒng)是直流輸電系統(tǒng)換流閥的重要組成部分，它將換流閥運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的高熱量排放到閥廳外，保證閥體溫度運(yùn)行在正常范圍內(nèi)〔1－3〕，因此閥冷卻系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用。

閥內(nèi)冷水系統(tǒng)是一個(gè)密閉的循環(huán)系統(tǒng)，其主循環(huán)回路由電動(dòng)閥門控制切換，若電動(dòng)閥門故障將會(huì)導(dǎo)致內(nèi)冷水保護(hù)動(dòng)作，甚至引起直流系統(tǒng)閉鎖〔4〕，鵝城換流站就曾發(fā)生過電動(dòng)閥門誤動(dòng)作導(dǎo)致的內(nèi)冷水泄漏保護(hù)誤動(dòng)作的故障〔5〕。以±500 kV鵝城換流站為例，對(duì)基于ABB技術(shù)的閥水冷系統(tǒng)主循環(huán)回路中電動(dòng)閥存在的隱患進(jìn)行了分析介紹，并提出了相應(yīng)的解決措施。

1 閥冷卻系統(tǒng)

1.1 閥冷卻系統(tǒng)構(gòu)成

閥冷卻系統(tǒng)可分為外水冷系統(tǒng)和內(nèi)水冷系統(tǒng)。其中內(nèi)冷水系統(tǒng)是一個(gè)密閉的循環(huán)系統(tǒng)，通過循環(huán)泵將經(jīng)外水冷系統(tǒng)冷卻后的循環(huán)水送至換流閥內(nèi)，吸收其運(yùn)行過程中產(chǎn)生的大量熱量，帶走熱量的內(nèi)冷水經(jīng)外冷水系統(tǒng)冷卻后，再開始下一個(gè)冷卻循環(huán)；冷卻水的水溫、流量和電導(dǎo)率是影響閥水冷系統(tǒng)正常運(yùn)行的主要因素〔6〕。

1.2 閥水冷控制保護(hù)系統(tǒng) (CCP)

閥水冷控制保護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)冷水與外冷水系統(tǒng)的監(jiān)視與控制，同時(shí)完成與對(duì)應(yīng)的極控系統(tǒng)信息的交換，主系統(tǒng)故障時(shí)將自動(dòng)、快速、平滑的切換至備用系統(tǒng)，2套系統(tǒng)均故障則啟動(dòng)直流輸電系統(tǒng)強(qiáng)迫停運(yùn)〔2，6〕。

2 電動(dòng)閥門故障分析

2.1 內(nèi)冷水主循環(huán)回路中的電動(dòng)閥門

閥水冷系統(tǒng)主循環(huán)回路中的電動(dòng)閥門主要包括切換閥門K5，K6和旁通閥門K7，K8，其中K5與K7閥門位于同一回路中，K6與K8閥門位于同一回路中，主循環(huán)回路中的電動(dòng)閥門位置如圖1。

圖1 主循環(huán)回路中的電動(dòng)閥門位置

電動(dòng)閥均由閥水冷控制保護(hù)系統(tǒng) (CCP)自動(dòng)控制，其中K5，K6閥門各控制1條主水管道，每周切換1次；旁通閥K7，K8與閥門K5，K6一一對(duì)應(yīng)，負(fù)責(zé)內(nèi)水冷系統(tǒng)的內(nèi)外循環(huán)切換〔7〕。

運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明，鵝城站K5，K6及K7，K8閥門近年故障時(shí)有發(fā)生 (見表1)，嚴(yán)重威脅直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

表1 電動(dòng)閥門故障統(tǒng)計(jì) 次

2.2 閥門故障分析

2.2.1 閥門的控制邏輯

1)切換閥門K5，K6控制邏輯

K5，K6閥門控制邏輯如圖2所示，K5，K6閥門的切換有2種情況:

①周切換:由于與主泵切換采用的是同一個(gè)計(jì)時(shí)器，故K5，K6閥門的切換與主泵的切換一同進(jìn)行。當(dāng)計(jì)時(shí)器達(dá)到一周時(shí)，先進(jìn)行主泵切換，若無K7，K8閥門故障信號(hào)，3 min后切換 K5，K6閥門。

②故障切換:若K7閥門故障，控制系統(tǒng)認(rèn)為在同一支路上的K5閥門不可用，將切換至K6回路運(yùn)行；同樣，若K8閥門故障，系統(tǒng)將切換至K5回路運(yùn)行。

圖2 閥門控制邏輯

2)旁通閥門K7，K8控制邏輯

閥水冷系統(tǒng)的內(nèi)外循環(huán)切換是通過電動(dòng)閥K7，K8的分合實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電動(dòng)閥完全閉合時(shí)，內(nèi)冷水為外循環(huán)；當(dāng)電動(dòng)閥完全打開時(shí)，內(nèi)冷水為內(nèi)循環(huán)；當(dāng)電動(dòng)閥呈不完全打開狀態(tài)時(shí)，內(nèi)冷水一部分外循環(huán)，一部分內(nèi)循環(huán)。其控制邏輯如圖3。

圖3 閥門控制邏輯

①外循環(huán)

當(dāng)閥進(jìn)水溫度高于12℃時(shí)，系統(tǒng)發(fā)指令讓電動(dòng)閥閉合，在電動(dòng)閥轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，若閥進(jìn)水溫度持續(xù)高于11℃，則該指令一直發(fā)出，直至電動(dòng)閥完全閉合，內(nèi)冷水為完全外循環(huán)。

當(dāng)冷卻塔出水溫度低于3℃時(shí)，內(nèi)冷水的加熱器已開啟，為防止室外內(nèi)冷水凍結(jié)，系統(tǒng)發(fā)指令讓電動(dòng)閥閉合，使其進(jìn)行外循環(huán)，若冷卻塔出水溫度持續(xù)低于5℃，則該指令一直發(fā)出，直至電動(dòng)閥完全閉合，內(nèi)冷水為完全外循環(huán)。

②內(nèi)循環(huán)

當(dāng)閥進(jìn)水溫度低于8℃時(shí)，系統(tǒng)發(fā)指令讓電動(dòng)閥分開，在電動(dòng)閥轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，若閥進(jìn)水溫度持續(xù)低于9℃，則該指令一直發(fā)出，直至電動(dòng)閥完全分開，內(nèi)冷水為完全內(nèi)循環(huán)。

③中間狀態(tài)

內(nèi)循環(huán)轉(zhuǎn)為外循環(huán)的過程中，若閥進(jìn)水溫度低于11℃，則停止發(fā)閉合指令，且只要溫度在8～12℃變化范圍內(nèi)，閥門將一直保持現(xiàn)有狀態(tài)，即內(nèi)冷水一部分為內(nèi)循環(huán)，一部分為外循環(huán)。

外循環(huán)轉(zhuǎn)為內(nèi)循環(huán)的過程中，若閥進(jìn)水溫度高于9℃，則停止發(fā)分開指令，且只要溫度在8～12℃變化范圍內(nèi)，閥門將一直保持現(xiàn)有狀態(tài)，即內(nèi)冷水一部分為內(nèi)循環(huán)，一部分為外循環(huán)。

2.2.2 閥門故障原因分析

主循環(huán)回路中電動(dòng)閥門的故障一般由水質(zhì)因素〔2〕、閥門機(jī)械故障、控制回路故障等原因造成。

檢測結(jié)果知，鵝城站閥水冷系統(tǒng)水質(zhì)狀況良好，金屬離子較少，無大量水垢存在的現(xiàn)象，閥門因水垢等原因造成無法正常動(dòng)作的可能性并不大。

2014年度閥水冷系統(tǒng)水樣檢測結(jié)果見表2。

表2 2014年度閥水冷系統(tǒng)水樣檢測結(jié)果

鵝城站于2004年6月雙極正式投運(yùn)，運(yùn)行超過10年，設(shè)備已進(jìn)入老化期，電動(dòng)閥門在工作過程中極有可能發(fā)生由于電機(jī)老化故障導(dǎo)致的閥門無法正常動(dòng)作。

式(7)中:Et為發(fā)射信號(hào)的能量;Er為接收信號(hào)的能量;?hh(τ,ξ)為混響信道散射函數(shù);χ(τ,ξ)為信號(hào)模糊函數(shù)。從式(7)中可看出，信號(hào)模糊函數(shù)與混響散射函數(shù)重疊面積的減小使目標(biāo)檢測性能得以提高。

主循環(huán)回路電動(dòng)閥門的工作狀態(tài)由閥水冷控制保護(hù)系統(tǒng) (CCP)中的PS830和PS853進(jìn)行控制，當(dāng)板卡或閥門控制回路中的繼電器工作異常時(shí)，均有可能導(dǎo)致閥門故障。該站2012年曾發(fā)生過由于PS853板卡工作異常導(dǎo)致的K5閥門故障。

3 隱患分析及改進(jìn)建議

3.1 切換閥門K5，K6隱患及改進(jìn)措施

設(shè)計(jì)切換閥門K5，K6的主要目的是配合旁通閥門K7，K8進(jìn)行內(nèi)外循環(huán)切換，而每周定期切換閥門則是為了保證電動(dòng)閥的可靠性。

電動(dòng)閥K5，K6在打開與關(guān)閉狀態(tài)下的切換需要約10 s的時(shí)間，其切換遵循 “先開后關(guān)”的原則。正常情況下閥門的切換過程如下:切換閥門的指令→打開備用閥門→系統(tǒng)收到備用閥門打開的信號(hào)后關(guān)閉之前運(yùn)行的閥門，從而完成一次電動(dòng)閥的切換。

以打開K6閥門、關(guān)閉K5閥門過程為例，若K6閥門在未完全打開前其位置指示信號(hào)K6_OPEN _IND由于故障變?yōu)?，控制系統(tǒng)CCP收到K6閥門已完全打開的錯(cuò)誤信號(hào)后，停止打開K6閥門同時(shí)關(guān)閉K5閥門，導(dǎo)致主循環(huán)回路中的水量減小，這將直接影響閥體元件的散熱效果，并可能引起流量保護(hù)動(dòng)作閉鎖直流。此外，電動(dòng)閥K5，K6使用已超過10年，隨著使用年限的增加，閥門的機(jī)械磨損會(huì)逐年增加，未來該閥門故障幾率將成幾何級(jí)上升，一旦閥門切換過程中發(fā)生故障，就有可能導(dǎo)致直流閉鎖甚至換流閥元件損壞。

實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，即使K5，K6閥門故障，旁通閥門K7，K8也可以順利完成內(nèi)外循環(huán)切換?？梢妼?shí)際運(yùn)行過程中，切換閥門K5，K6不僅在內(nèi)外循環(huán)切換未起到配合作用，反而增加了直流系統(tǒng)閉鎖風(fēng)險(xiǎn)。因此，可考慮修改CCP軟件邏輯，正常運(yùn)行時(shí)取消K5，K6閥門的自動(dòng)周切換功能，使閥門一個(gè)保持在打開狀態(tài)另一個(gè)在關(guān)閉狀態(tài)或2個(gè)閥門均在打開狀態(tài)，避免切換閥門過程中的直流閉鎖風(fēng)險(xiǎn)；對(duì)于新建工程，建議設(shè)計(jì)時(shí)取消電動(dòng)閥K5和K6，改用機(jī)械閥門進(jìn)行連接，防止由于電動(dòng)閥故障導(dǎo)致直流系統(tǒng)閉鎖。在最新投運(yùn)的哈鄭特高壓直流輸電工程中，其閥水冷系統(tǒng)中已取消主循環(huán)回路電動(dòng)閥K5和K6的周切換功能，系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好。

3.2 旁通閥門K7，K8隱患及改進(jìn)措施

由于未考慮運(yùn)行實(shí)際，該站閥水冷系統(tǒng)也設(shè)置了內(nèi)外循環(huán)功能。2008年2月3日，曾發(fā)生過由于內(nèi)外循環(huán)切換導(dǎo)致內(nèi)冷水泄漏保護(hù)誤動(dòng)故障〔9〕。雖然在這之后ABB將內(nèi)外循環(huán)切換定值由20℃改為10℃，但這只是降低了發(fā)生內(nèi)外循環(huán)的概率，并沒有從根本上消除內(nèi)外循環(huán)的風(fēng)險(xiǎn)。

鵝城站位于南方炎熱地區(qū)，即使在冬季直流系統(tǒng)輕載運(yùn)行時(shí)，閥進(jìn)水溫度始終高于20℃，因此K7和K8閥門始終處于外循環(huán)狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生切換到內(nèi)循環(huán)運(yùn)行的情況。如果一旦因溫度測量不準(zhǔn)確、控制板卡故障或電源波動(dòng)等，導(dǎo)致K7和K8閥門誤轉(zhuǎn)為內(nèi)循環(huán)狀態(tài)，此時(shí)相當(dāng)于冷卻塔被隔離，系統(tǒng)冷卻能力將大大降低，水溫快速上升將導(dǎo)致極閉鎖。建議將K7和K8閥門控制方式打至手動(dòng)，并斷開其控制電源和電機(jī)電源，確保該閥門不會(huì)誤動(dòng)；對(duì)于新建工程，若換流站所在地域常年高溫炎熱，設(shè)計(jì)時(shí)即可考慮取消K7和K8閥門和內(nèi)外循環(huán)功能，這樣既能減少設(shè)備投資，又能避免內(nèi)外循環(huán)切換導(dǎo)致的直流系統(tǒng)閉鎖風(fēng)險(xiǎn)。

4 ABB與西門子閥冷技術(shù)的對(duì)比

換流站閥水冷技術(shù)主要分為2種路線:一種為ABB技術(shù)路線，另一種為西門子技術(shù)路線。目前國網(wǎng)公司換流站多是基于ABB技術(shù)的閥冷系統(tǒng)，而南網(wǎng)公司多數(shù)換流站采用的是基于西門子技術(shù)的閥冷系統(tǒng)。

圖4 某換流站閥水冷系統(tǒng)圖

圖4 為基于西門子技術(shù)的某換流站閥水冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其主循環(huán)回路設(shè)計(jì)較為簡單，沒有切換閥門K5，K6和旁通閥門K7，K8，只有1條主管路從主循環(huán)泵連接至換流閥。

ABB閥冷系統(tǒng)的源自人口稀少、位于高寒地區(qū)的瑞典，旁通閥門的設(shè)計(jì)可以減少閥冷卻系統(tǒng)能耗。而我國人口眾多，國內(nèi)的直流系統(tǒng)常年大負(fù)荷運(yùn)行，旁通閥門不僅未能起到減少能耗的功能，相反還增加了直流系統(tǒng)的閉鎖風(fēng)險(xiǎn)。因此，相較于ABB閥冷技術(shù)，西門子公司的設(shè)計(jì)不僅減少了設(shè)備投資，又能有效避免電動(dòng)閥故障導(dǎo)致的直流系統(tǒng)閉鎖風(fēng)險(xiǎn)。2012年投運(yùn)的±800 kV同里特高壓換流站，其閥水冷系統(tǒng)中設(shè)計(jì)時(shí)就取消了切換閥門K5， K6和旁通閥門K7，K8。

5 總結(jié)

換流站閥水冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，各類傳感器、閥門、管道接頭及旋轉(zhuǎn)設(shè)備較多，且由閥水冷系統(tǒng)故障導(dǎo)致的直流系統(tǒng)停運(yùn)占直流系統(tǒng)閉鎖停運(yùn)的比率較大，因此應(yīng)加強(qiáng)對(duì)閥水冷系統(tǒng)的隱患分析和治理〔10〕?；贏BB技術(shù)的閥冷系統(tǒng)，由于未考慮運(yùn)行實(shí)際，其主循環(huán)回路中設(shè)計(jì)的切換閥門和旁通閥門，不僅加大了設(shè)備投資，而且增加了直流系統(tǒng)的閉鎖風(fēng)險(xiǎn)。在運(yùn)換流站建議斷開切換閥門和旁通閥門的控制電源和電機(jī)電源防止閥門誤動(dòng)，后續(xù)新建換流站的閥水冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)取消主循環(huán)回路中的切換閥門和旁通閥門。

〔1〕趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù)〔M〕.北京:中國電力出版社，2009.

〔2〕段濤，楊斌，李賢慶，等.±500 kV換流站閥水冷系統(tǒng)隱患分析治理〔J〕.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2014，42(18):132-138.

〔3〕田慶.直流輸電工程閥水冷系統(tǒng)缺陷分析〔J〕.高壓電器，2012，48(8):80-85.

〔4〕羅德彬，汪峰，徐葉玲.國家電網(wǎng)公司直流輸電系統(tǒng)典型故障分析〔J〕.電網(wǎng)技術(shù)，2006，30(1):35-39.

〔5〕國家電網(wǎng)公司運(yùn)行分公司.換流站單雙極閉鎖報(bào)告匯編〔M〕.北京:中國電力出版社，2009.

〔6〕李愛生，朱韜析.直流輸電工程中閥水冷監(jiān)控系統(tǒng)的改進(jìn)建議〔J〕.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(16):153-156.

〔7〕國網(wǎng)湖南省電力公司檢修公司.鵝城換流站運(yùn)行規(guī)程〔S〕.2014.

〔8〕國網(wǎng)運(yùn)行有限公司.高壓直流輸電崗位培訓(xùn)教材輔助設(shè)備分冊〔M〕.北京:中國電力出版社，2009.

〔9〕國網(wǎng)運(yùn)行有限公司.鵝城換流站2008年2月3日極I內(nèi)冷水系統(tǒng)泄漏保護(hù)動(dòng)作分析報(bào)告〔R〕.2008.

〔10〕姚其新，饒洪林.換流站閥水冷系統(tǒng)隱患分析及治理〔J〕.華中電力，2010，23(5):56-58.

Analysis of hidden dangers on motor valve of main circulating loop in HVDC valve cooling systems

HUANG Chen，LIU Yuan，KANG Wen

(State Grid Hunan Electric Power Corporation Maintenance Company，Changsha 410007，China)

Taking the example of the valve cooling system at Echeng converter station，by analyzing the control logic of motor valve in the main circulating loop，the hidden dangers that may cause DC system block are pointed out in the paper. Countermeasures are presented to avoid potential DC system block due to motor valve faults and ensure the safe operation of the converter station.Recommendations on the future design of the valve cooling system for the new converter station are given and can be used as reference for other converter stations.

HVDC；converter station；valve cooling system；motor valve；hidden dangers；DC block

TM721.1

B

1008-0198(2015)06-0044-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.06.012

2015-04-21 改回日期:2015-07-09

黃晨，男，漢族，湖南郴州人，工程師，大學(xué)本科學(xué)歷，從事高壓直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)工作。