肖 晉，李 申，王 艷，李華君，仇宇舟

(1.許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100192)

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特高壓直流輸電換流閥防滲漏技術(shù)研究

肖 晉1，李 申1，王 艷1，李華君1，仇宇舟2

(1.許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100192)

由于換流閥水路冷卻系統(tǒng)滲漏而引起現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)迫停運(yùn)事故屢有發(fā)生，對(duì)電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生了較大影響。為了減少換流閥水路冷卻系統(tǒng)滲漏概率，重點(diǎn)分析換流閥滲漏的原因，并提出了相應(yīng)的防滲漏設(shè)計(jì)和防滲漏工藝措施，確保了換流閥長(zhǎng)期可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。

高壓直流輸電；滲漏原因；防滲漏設(shè)計(jì)；工藝措施

特高壓直流輸電在解決電網(wǎng)兼容、異步電網(wǎng)、遠(yuǎn)距離輸電和電力電纜傳輸中取得了廣泛應(yīng)用，直流輸電在我國(guó)電網(wǎng)構(gòu)成中，特別是在“西電東送”“北電南送”和“五縱五橫”的電網(wǎng)建設(shè)中發(fā)揮了巨大的作用[1]。到2020年，國(guó)家電網(wǎng)公司將建成27項(xiàng)特高壓直流輸電工程[2]。通過(guò)這些工程能夠連接大型能源基地與負(fù)荷中心，實(shí)現(xiàn)電力的遠(yuǎn)距離、大規(guī)模和高效率輸送。

目前，投運(yùn)的換流站閥塔自2006年1月1日以來(lái)，由于閥塔漏水導(dǎo)致單雙極閉鎖3次，閥塔水管漏水異常7次。因此，提高換流閥防滲漏技術(shù)對(duì)提高換流閥設(shè)備的可靠運(yùn)行起著重要的作用。本文針對(duì)換流閥水路冷卻系統(tǒng)滲漏的原因、防滲漏的設(shè)計(jì)和防滲漏工藝措施等幾方面展開研究，以確保換流閥乃至整個(gè)直流輸電線路長(zhǎng)期、安全可靠運(yùn)行。

1 換流閥閥塔水路冷卻系統(tǒng)滲漏原因

1.1 密封圈和水管接頭長(zhǎng)期老化導(dǎo)致滲漏

密封圈密封不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便，而且密封可靠，廣泛用于換流閥水路冷卻系統(tǒng)密封；其通過(guò)壓緊密封圈，使密封圈變形，從而在密封面處實(shí)現(xiàn)密封。但由于密封圈長(zhǎng)期處在高電場(chǎng)環(huán)境下，因而長(zhǎng)期使用會(huì)出現(xiàn)不同程度的老化，密封圈材質(zhì)彈性劣化，

密封面接觸強(qiáng)度下降，導(dǎo)致密封效果變差，造成換流閥閥塔在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。

有的水管接頭采用塑料材質(zhì)，尺寸較小，長(zhǎng)期使用引起老化強(qiáng)度降低，導(dǎo)致出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，并發(fā)生滲漏(見圖1)。

圖1 水管接頭老化滲漏

1.2 水路接頭緊固力矩變小導(dǎo)致滲漏

如果換流閥閥塔水路采用較小口徑的管路，則與之配套使用的水路接頭也采用小口徑塑料接頭形式，水管接頭強(qiáng)度較小，使用密封圈線徑較小，因而水管接頭緊固力矩很小(一般約為1 N·m)。水管接頭由于緊固力矩很小，所以受外界影響較大，容易造成由于接頭緊固力矩變小而出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象(見圖2)。

圖2 水管接頭力矩變小出現(xiàn)滲漏

1.3 水路設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致滲漏

如果換流閥水路冷卻系統(tǒng)的水管和其他固定件距離太近，在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程中，閥塔振動(dòng)會(huì)使水管和固定件不斷產(chǎn)生摩擦，最后導(dǎo)致水管破裂而發(fā)生漏水。如果冷卻水管采用軟質(zhì)材料， 水管空間走向無(wú)法定位，水管之間存在互相摩擦，則存在水管摩擦破裂而引發(fā)滲漏隱患(見圖3)。除此之外，水路設(shè)計(jì)時(shí)為了最大限度追求冷卻效果，常常采用并聯(lián)水路設(shè)計(jì)，也會(huì)帶來(lái)水路接頭過(guò)多，從而增大滲漏的隱患。

圖3 水管彼此摩擦導(dǎo)致滲漏

1.4 內(nèi)冷循環(huán)系統(tǒng)頻繁起停導(dǎo)致滲漏

內(nèi)冷循環(huán)系統(tǒng)由于檢修或其他故障，需要對(duì)閥塔內(nèi)冷循環(huán)系統(tǒng)頻繁起動(dòng)、停止，因而導(dǎo)致管路內(nèi)部壓力突變，接頭松動(dòng)，接頭處發(fā)生漏水。

1.5 水管現(xiàn)場(chǎng)安裝工藝不到位或質(zhì)量缺陷導(dǎo)致滲漏

在現(xiàn)場(chǎng)水管安裝過(guò)程中，由于現(xiàn)場(chǎng)安裝工藝執(zhí)行不到位，水管接頭處密封圈沒(méi)有正確安裝入位或者水管接頭處存在安裝應(yīng)力，導(dǎo)致?lián)Q流閥運(yùn)行后出現(xiàn)局部滲漏情況。另外，水管本身材質(zhì)缺陷、焊接缺陷和加工缺陷等質(zhì)量缺陷也是導(dǎo)致?lián)Q流閥水路系統(tǒng)發(fā)生滲漏的原因。水管焊接缺陷導(dǎo)致漏水如圖4所示。

圖4 水管焊接缺陷導(dǎo)致漏水

2 防滲漏設(shè)計(jì)

換流閥水路系統(tǒng)是保證換流閥可靠運(yùn)行的有力保證，但是水路系統(tǒng)一旦發(fā)生泄漏，就會(huì)出現(xiàn)由于短路而引發(fā)電弧的隱患，甚至可能會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流閥起火等重大災(zāi)難。因此，換流閥水路設(shè)計(jì)不僅要考慮高的產(chǎn)品可靠性，而且要考慮一旦發(fā)生泄漏，能夠?qū)p失程度降到最低。

2.1 優(yōu)化管路接頭連接方式

由于塑料和金屬熱膨脹系數(shù)不同，水管接頭應(yīng)盡量采用金屬接頭，以減少塑料接頭和金屬接頭配合使用。采用大尺寸的金屬接頭連接(見圖5)，密封圈緊固力矩較大，不易發(fā)生由于接頭力矩減小而導(dǎo)致漏水。

圖5 金屬接頭

2.2 優(yōu)化水路設(shè)計(jì)

2.2.1 閥塔水路優(yōu)化設(shè)計(jì)

閥塔水路接頭應(yīng)盡量布置在閥塔外側(cè)，遠(yuǎn)離功率元件，一旦位于上層管路接頭漏水，可最大限度避免水直接滴落到位于下層的功率元件，最大程度地避免由于滴水導(dǎo)致功率元件短路引發(fā)電弧，甚至引起火災(zāi)的安全隱患。本文設(shè)計(jì)閥塔水路自上而下環(huán)繞布置在閥塔外側(cè)，閥塔頂部進(jìn)出S型水管布置在閥塔中央(見圖6)。

圖6 閥塔水路

2.2.2 閥組件水路優(yōu)化設(shè)計(jì)

管路設(shè)計(jì)應(yīng)盡量采用串并聯(lián)管路設(shè)計(jì)方式(見圖7)，這樣可以同時(shí)具有并聯(lián)水路散熱效率高，串聯(lián)水路均流性好、管路接頭少的優(yōu)點(diǎn)。減少接頭數(shù)量是降低換流閥水路系統(tǒng)滲漏最有效和最直接的方式。設(shè)計(jì)中，每增加1個(gè)接頭就會(huì)增加1個(gè)潛在滲漏點(diǎn)，所以在滿足散熱要求的前提下，應(yīng)最大程度地減少接頭數(shù)量。

圖7 串并聯(lián)管路設(shè)計(jì)

2.3 優(yōu)化管路固定方式

由于電抗器在通流過(guò)程中發(fā)生振動(dòng)，導(dǎo)致?lián)Q流閥閥塔水管也存在不同程度振動(dòng)，因而水管材質(zhì)應(yīng)盡量使用硬質(zhì)材料，以避免振動(dòng)引起的變形。如果采用軟管材料，在水管接觸或固定位置必須加裝保護(hù)帶(見圖8)，以避免水管由于振動(dòng)發(fā)生磨損，導(dǎo)致水管破裂而發(fā)生泄漏。

圖8 加裝保護(hù)帶

2.4 設(shè)計(jì)閥塔漏水檢測(cè)裝置

閥塔中設(shè)計(jì)有專用漏水檢測(cè)裝置(見圖9)。漏水檢測(cè)裝置可以布置在閥塔底部，通過(guò)收集閥塔滲漏的水量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)換流閥漏水，根據(jù)漏水情況將信息反饋到后臺(tái)控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)根據(jù)漏水情況可以發(fā)出報(bào)警或跳閘信號(hào)，防止閥塔由于漏水引發(fā)電流短路，甚至引發(fā)火災(zāi)等安全事故。閥塔漏水檢測(cè)裝置主要通過(guò)集水盤收集閥塔滲漏的冷卻水，借助專用結(jié)構(gòu)將漏水量轉(zhuǎn)化成信號(hào)傳輸?shù)介y控系統(tǒng)。

圖9 漏水檢測(cè)裝置

2.5 防水裝置設(shè)計(jì)

為了有效避免電氣元件遇水而發(fā)生電氣短路，可以在電氣元件外部設(shè)置防水裝置(見圖10)，也可以在每層功率元件下方設(shè)計(jì)集水盤，如果該層組件水路接頭漏水，通過(guò)集水盤將水收集，并將水直接排放到漏水檢測(cè)裝置處，通過(guò)漏水檢測(cè)裝置將信息反饋到后臺(tái)閥控系統(tǒng)，閥控系統(tǒng)通過(guò)漏水量發(fā)出報(bào)警或跳閘指令。

圖10 電氣元件外部設(shè)置防水裝置

3 防滲漏工藝措施

針對(duì)現(xiàn)存的水管滲漏問(wèn)題的隱患，應(yīng)嚴(yán)格控制產(chǎn)品工藝。

3.1 嚴(yán)控水管加工工藝

水管及管件應(yīng)采用經(jīng)過(guò)工程長(zhǎng)期驗(yàn)證成熟的相關(guān)產(chǎn)品。水管的加工、運(yùn)輸和存儲(chǔ)均應(yīng)符合嚴(yán)格的工藝要求。水管的焊接應(yīng)采用專用全自動(dòng)焊機(jī)，按照專用焊接工藝進(jìn)行焊接，以確保水管批量生產(chǎn)質(zhì)量。

通過(guò)水管零件、組部件和閥塔整體水壓試驗(yàn)三重保障，確保換流閥水路冷卻系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

3.2 嚴(yán)控安裝工藝

應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)水管接頭安裝工藝，并由專人進(jìn)行緊固。

緊固后，應(yīng)劃線標(biāo)識(shí)。安裝結(jié)束后由專人進(jìn)行復(fù)檢，年度檢修時(shí)檢驗(yàn)接頭位置是否松動(dòng)。

3.3 加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)操作管理

如果現(xiàn)場(chǎng)需要對(duì)閥塔進(jìn)行放水、補(bǔ)水工作，應(yīng)嚴(yán)格按照現(xiàn)場(chǎng)操作要求，避免管道內(nèi)部由于負(fù)壓而導(dǎo)致密封圈失效。

換流站現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行應(yīng)嚴(yán)格控制水冷系統(tǒng)主泵起停頻率和次數(shù)，盡量減少主泵起停對(duì)管路接頭水壓沖擊。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要對(duì)換流閥閥塔滲漏原因進(jìn)行了分析研究，并針對(duì)閥塔滲漏原因提出從閥塔水路防滲漏設(shè)計(jì)和防滲漏工藝，并在現(xiàn)有特高壓直流輸電工程中進(jìn)行了大量驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，本文提出的觀點(diǎn)是可行的，對(duì)換流閥閥塔防滲漏效果是非常有效的。后續(xù)還需從以下幾方面進(jìn)行更加深入研究：1)進(jìn)一步優(yōu)化閥塔水路結(jié)構(gòu)，研究更加高效的散熱方式，在滿足散熱要求的前提下減少接頭數(shù)量；2)進(jìn)一步研究性能更加可靠的密封方式，提升管路密封可靠性和穩(wěn)定性。

[1] 劉振亞.全球能源互聯(lián)網(wǎng)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2015.

[2] 王旭輝.國(guó)網(wǎng)2020年全面建成堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)[N].中國(guó)能源報(bào)，2013-01-14(18).

責(zé)任編輯 鄭練

Study on Anti Leakage Technology of HVDC Converter Valve

XIAO Jin1, LI Shen1, WANG Yan1, LI Huajun1, QIU Yuzhou2

(1.Xuji Group Corporation, Xuchang 461000, China; 2.China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

Because of the converter valve leakage of water cooling system, it causes the filed forced outage accidents occurred frequently, and influences the security and stability of power grid operation. In order to reduce the leakage probability of water cooling system, focus on the analysis of the reasons for the leakage of the converter valve. Put forward the corresponding anti-leakage design and anti-leakage technology measures, and then ensure the long-time reliable and stable operation of converter valve.

HVDC transmission, leakage reasons, anti-leakage design, technological measures

TB 21

A

肖晉(1981-)，男，碩士，工程師，主要從事電力設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的研究。

2016-07-21