閆迎，晏桂林，郝劍波

（國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

高壓直流換流閥水冷卻系統(tǒng)常見缺陷分析及對策

閆迎，晏桂林，郝劍波

（國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

閥冷系統(tǒng)作為高壓直流輸電換流站內(nèi)最主要的輔助設(shè)備，對換流閥的正常運(yùn)行至關(guān)重要。以廣泛應(yīng)用的換流閥水冷系統(tǒng)為例，結(jié)合部分因水系統(tǒng)異常引發(fā)的直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行事故案例，總結(jié)了典型的幾類閥冷系統(tǒng)缺陷類型，給出事故預(yù)防的對應(yīng)策略，為提高閥冷系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性提供參考。

換流站；閥冷卻系統(tǒng)；缺陷分析；預(yù)防措施

換流閥在換流站中承擔(dān)著交—直流轉(zhuǎn)換的功能，是換流站的核心設(shè)備。由于閥內(nèi)部可控硅元件在運(yùn)行過程中將產(chǎn)生大量的熱，為保證元件的正常使用，需要為其配置專用的冷卻系統(tǒng)〔1〕。目前，閥水冷卻方式因冷卻效率高、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，成為應(yīng)用最廣泛的冷卻方式，據(jù)此，提高冷卻水系統(tǒng)的可靠性對保障換流閥的安全具有重要作用〔2〕。

然而，國內(nèi)部分直流輸電工程的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明，閥水冷系統(tǒng)故障已成為影響換流站運(yùn)行安全的重要因素之一，當(dāng)水冷系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，輕者引起輸電功率的降低，嚴(yán)重者引起直流閉鎖停運(yùn)甚至閥片受熱損壞〔3〕。為此，開展閥水冷系統(tǒng)常見故障類型的歸納分析，確定適宜的預(yù)防應(yīng)對措施，對于保障換流閥的穩(wěn)定工作尤為重要。

1 換流閥水冷系統(tǒng)簡介

1.1 閥冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了最好的提高換流閥的冷卻效率，一套完善的閥水冷系統(tǒng)主要由圖1所示的閥內(nèi)水冷和閥外水冷兩部分組成〔4〕。

圖1 閥冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

閥內(nèi)水冷系統(tǒng)主要由主循環(huán)泵、過濾器、膨脹罐、離子交換器、冷卻塔等組成。作為一個(gè)相對密閉的循環(huán)系統(tǒng)，內(nèi)冷卻水在換流閥內(nèi)吸熱升溫后，由循環(huán)水泵驅(qū)動進(jìn)入冷卻塔內(nèi)的換熱盤管，在塔內(nèi)經(jīng)外冷水噴淋盤管表面降溫后由再次進(jìn)入換流閥，重復(fù)下一個(gè)過程。另外一小部分內(nèi)冷水被送去接受去離子、過濾等處理，滿足換流閥對水質(zhì)的要求。對此，整個(gè)內(nèi)冷水系統(tǒng)又可以分為水循環(huán)、水處理兩部分回路。

閥外水冷系統(tǒng)主要由軟化單元、反滲透場、加藥系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)等組成。為了防止噴淋水在盤管外表面產(chǎn)生結(jié)垢現(xiàn)象，外部源水經(jīng)過軟化反滲透處理并除去水中的鎂、鈣和金屬離子，水質(zhì)合格后流入冷卻塔對內(nèi)冷水進(jìn)行降溫。

1.2 閥冷系統(tǒng)監(jiān)控

為保證冷卻系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，每套換流閥還設(shè)有完善的監(jiān)控系統(tǒng)，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)以下功能〔5〕:

1)監(jiān)視功能。主要監(jiān)視內(nèi)冷水的進(jìn)出水溫度、流量、壓力、電導(dǎo)率、膨脹水箱水位、外冷水池水位，以及水泵、風(fēng)扇等旋轉(zhuǎn)設(shè)備的運(yùn)行情況，一旦發(fā)現(xiàn)異常，則啟動告警提示運(yùn)行人員。

2)控制功能。主要完成主泵及外冷水噴淋泵的起停和切換、平衡水池水位和膨脹罐壓力的調(diào)節(jié)、冷卻塔風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制、閥門設(shè)備的位置改變等功能。

3)保護(hù)功能。主要有泄漏保護(hù)、溫度保護(hù)、流量保護(hù)、水位保護(hù)、壓力保護(hù)、電導(dǎo)率保護(hù)等。當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常時(shí)動作信號被直接送至保護(hù)系統(tǒng)的出口繼電器，停運(yùn)直流輸電系統(tǒng)。

2 常見故障分析及預(yù)控

從上面介紹可以看出，閥水冷系統(tǒng)的組成比較復(fù)雜，涉及元件比較多，工作過程也較繁瑣，當(dāng)任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)異常時(shí)，都有直接影響到換流閥的正常工作。下面對其在運(yùn)行中常出現(xiàn)的一些故障進(jìn)行介紹。

2.1 冷卻水滲漏或泄漏

在整個(gè)水冷系統(tǒng)中，在法蘭、閥門、電極、傳感器、主循環(huán)泵軸承等管道連接或設(shè)備安裝部位大量使用密封墊來保證密封。在長期的運(yùn)行過程中，由于密封墊老化、安裝位置偏移、緊固螺絲的松動等原因，這些部位最容易出現(xiàn)內(nèi)冷水的滲漏，當(dāng)滲漏比較嚴(yán)重時(shí)甚至可以引起泄漏保護(hù)動作，造成運(yùn)行極閉鎖〔6〕。

2006年廣州站先后發(fā)生因均壓電極墊圈腐蝕和均壓電抗墊圈腐蝕導(dǎo)致的系統(tǒng)漏水事故，分別引發(fā)極Ⅰ閥塔漏水告警和極Ⅱ閥塔漏水告警。

2007年葛洲壩站因極Ⅱ內(nèi)冷水系統(tǒng)主泵軸承損壞，致使陶瓷密封圈破裂而漏水導(dǎo)致直流閉鎖。

2008年靈寶站因LLT閥A相電抗器冷卻水管接頭處振動松脫漏水，造成膨脹罐液位急劇下降引起保護(hù)動作直流閉鎖。

另外，鵝城站極Ⅰ也曾發(fā)生過因Y/Y C相閥塔頂部內(nèi)冷水水管法蘭處螺絲振動松動，致使彈簧墊圈松動漏水造成直流停運(yùn)事故。

反措或建議:1)換流閥安裝期間，水系統(tǒng)各管道接頭處應(yīng)用力矩扳手緊固，并做好標(biāo)記，各水管安裝完畢后要進(jìn)行冷卻水管道壓力或檢漏試驗(yàn)，及時(shí)修復(fù)漏水點(diǎn)。2)在水系統(tǒng)運(yùn)行中要加強(qiáng)對重點(diǎn)設(shè)備的巡檢，按固定時(shí)間定期記錄內(nèi)冷水的水位，做好閥門的緊固檢查和橡膠墊的定期更換。3)檢修期間應(yīng)對內(nèi)冷水系統(tǒng)水管進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)水管接頭松動、磨損、滲漏等異常要及時(shí)分析處理。

2.2 重要設(shè)備供電隱患

換流閥水冷系統(tǒng)中對供電要求最高的主要是主循環(huán)泵、噴淋泵，當(dāng)這些設(shè)備的供電出現(xiàn)問題時(shí)，內(nèi)冷水的流量將會由于主泵工作異常而降低，或者內(nèi)冷水的溫度由于噴淋泵的停運(yùn)而快速升高，從而對直流系統(tǒng)的運(yùn)行帶來危險(xiǎn)〔7〕。

2002年，天生橋站在1臺噴淋泵失去電源后，備用泵未能及時(shí)切換并啟動，造成內(nèi)冷水溫度升高極Ⅱ停運(yùn)。

2005年，政平站因控制保護(hù)系統(tǒng)ACP71/72自動切換失敗，站用電全部丟失，導(dǎo)致閥內(nèi)冷水主循環(huán)泵停運(yùn)，內(nèi)冷水流量低保護(hù)動作，造成雙極直流系統(tǒng)閉鎖。

2006年，靈寶站LTT閥水冷系統(tǒng)2臺主泵電機(jī)在定期自動切換過程中，由于主泵電源空氣開關(guān)過載定值與主泵啟動電流設(shè)置不匹配，致使2臺主泵先后過載跳閘，造成內(nèi)冷水系統(tǒng)停運(yùn)，直流系統(tǒng)閉鎖。

2007年，宜都站極Ⅰ內(nèi)冷水1號主泵因變頻器故障導(dǎo)致電機(jī)失電，隨后切換到2號主泵運(yùn)行。后續(xù)由于2號主泵報(bào)過熱故障，造成極Ⅰ流量保護(hù)動作跳閘，極Ⅰ閉鎖。

反措或建議:1)對于主泵電機(jī)等重要驅(qū)動設(shè)備，必須嚴(yán)格執(zhí)行兩路不同母線電源供電方式，同時(shí)還可考慮另加大容量UPS作為備用電源。當(dāng)雙路進(jìn)線均失電時(shí)，迅速轉(zhuǎn)為UPS供電，直至電源恢復(fù)。2)對各段電源或設(shè)備自動投切裝置要定期進(jìn)行檢查和試驗(yàn)，保證切換配合時(shí)間、開關(guān)靈敏度、定值設(shè)置等滿足閥冷系統(tǒng)的運(yùn)行要求。3)對采用變頻器驅(qū)動的設(shè)備，由于變頻器的長期在線運(yùn)行故障幾率高，直接影響到電機(jī)的可靠運(yùn)行，這種情況要及時(shí)將變頻器替換為軟啟動器來控制各電機(jī)的啟停。

2.3 外冷水系統(tǒng)結(jié)垢

源水經(jīng)過軟化、反滲透等處理成為合格的外冷水后，加入冷卻塔內(nèi)對內(nèi)冷水進(jìn)行冷卻。但是當(dāng)反滲透膜堵塞、反滲透膜管中氣體含量超標(biāo)、軟化罐中離子交換樹脂失效，或者源水的水質(zhì)較差、渾濁度較高時(shí)，處理后的外冷水中鈣、鎂等離子含量將會超標(biāo)，長期使用會在冷卻塔冷卻片、噴淋頭等處結(jié)成很厚的水垢，降低對內(nèi)冷水的冷卻效果〔8〕。

葛洲壩、楚雄、龍泉、江陵等換流站都曾出現(xiàn)過因源水硬度、堿度、鹽類含量超標(biāo)，導(dǎo)致外冷水處理困難，反滲透膜損壞，使得冷卻器管外表面結(jié)垢或噴淋頭部分堵塞，降低了外冷水的冷卻效率，最終導(dǎo)致?lián)Q流閥溫度過熱超標(biāo)。

反措或建議:1)換流站方面要盡量采用水質(zhì)較好的源水，在源水使用前可采取除鹽、除鈣、添加化學(xué)藥品等措施對其預(yù)處理，提高源水的品質(zhì)。2)可考慮在噴淋水系統(tǒng)處安裝硬度檢測探頭，當(dāng)檢測到的噴淋水硬度過高時(shí)，相應(yīng)的通過排污換水加大棄水量來降低噴淋水硬度。3)運(yùn)行人員要加強(qiáng)對外冷水系統(tǒng)特別是反滲透膜和噴淋塔的巡視力度，發(fā)現(xiàn)反滲透膜失效和噴淋塔結(jié)垢情況要及時(shí)組織人員進(jìn)行處理。

2.4 傳感器監(jiān)測參數(shù)失真

水溫、水壓、流量、水位等傳感器的使用，為水冷系統(tǒng)的監(jiān)測提供了便利。但是在運(yùn)行中，若傳感器精度降低或損壞、接線端子松動、底座安裝不牢或者環(huán)境電磁干擾嚴(yán)重，可能會使實(shí)際值與監(jiān)測值之間存在較大的誤差，造成保護(hù)誤報(bào)警或誤動作。

2004年高坡站因雷電擊中閥廳附近避雷針，造成膨脹水箱水位傳感器工作不穩(wěn)定而誤判水位偏低，導(dǎo)致極Ⅱ停運(yùn)。

2007年南橋站因極Ⅰ內(nèi)冷水某分支流量計(jì)長期因振動干擾影響而誤報(bào)流量低，導(dǎo)致極I閉鎖。

2009年肇慶站極Ⅱ外冷水池水位傳感器元件因工作不穩(wěn)定，誤發(fā)水位低信號，造成所有噴淋泵停運(yùn)，導(dǎo)致極Ⅱ內(nèi)冷水溫度迅速升高而啟動停運(yùn)。

反措或建議:1)定期對傳感器及其附屬部件如接線盒、屏蔽線纜等進(jìn)行檢查和校驗(yàn)，對有問題者及時(shí)更換或修復(fù)。2)對作用于跳閘的傳感器要按照3套獨(dú)立冗余的原則配置，且每個(gè)系統(tǒng)在保護(hù)上要對傳感器采集量按照 “三取二”原則出口。3)各傳感器電源應(yīng)由兩套電源同時(shí)供電，任一電源失電應(yīng)不影響傳感器的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.5 氣泡含量超標(biāo)導(dǎo)致水壓失穩(wěn)

循環(huán)內(nèi)冷水主要通過進(jìn)水管噴射進(jìn)入不同電位的換流閥組件冷卻室對元件進(jìn)行冷卻，但是當(dāng)水中含有大量的氣泡時(shí)，氣泡受到高壓壓縮會產(chǎn)生崩潰，在局部產(chǎn)生非常高的沖擊壓力，使管道產(chǎn)生振動和噪聲，嚴(yán)重時(shí)使閥塔頂部的壓力傳感器檢測到的內(nèi)冷水壓力偏離整定值而閉鎖直流系統(tǒng)〔9〕。

2006年天廣直流大修工作結(jié)束后重新投運(yùn)閥冷系統(tǒng)后，發(fā)現(xiàn)冷卻水中有大量氣泡，而系統(tǒng)配置的14個(gè)排氣閥門無法完全將氣體排出，導(dǎo)致內(nèi)冷水管道壓力不穩(wěn)，最終不得不強(qiáng)迫停運(yùn)高壓直流系統(tǒng)進(jìn)行處理。

反措或建議:1)定期檢查和更換密封件，減少因密封件腐蝕引起的內(nèi)冷水進(jìn)氣，同時(shí)定期對內(nèi)冷水開展采樣檢測，監(jiān)測內(nèi)冷水的飽和溶解度、酸堿度等參數(shù)，若有異常立即處理。2)在管道系統(tǒng)氣體易聚集處增設(shè)排氣閥，加快水中氣體外排速度，或者改進(jìn)排氣閥與主管道的連接結(jié)構(gòu)，提高排氣能力。

2.6 邏輯保護(hù)存在缺陷

閥冷系統(tǒng)在運(yùn)行中設(shè)有大量復(fù)雜的各類保護(hù)，各保護(hù)涉及到的傳感器和表計(jì)較多，所采用的狀態(tài)量也很繁瑣，在設(shè)計(jì)或安裝過程中如存在參數(shù)設(shè)置不合理，邏輯關(guān)系混淆、動作判據(jù)有誤等問題，將會直接影響閥冷系統(tǒng)的正常工作〔10〕。

2002年天生橋站因極Ⅱ極控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)缺陷，誤發(fā)停運(yùn)閥水冷卻系統(tǒng)的命令，閥水冷卻系統(tǒng)停運(yùn)后，極Ⅱ隨即停運(yùn)。

2010年興仁換流站由于閥冷控制保護(hù)邏輯設(shè)計(jì)缺陷，當(dāng)部分傳感器供電開關(guān)跳開并重新試合時(shí)，相應(yīng)極的極控系統(tǒng)收到閥冷外部保護(hù)跳閘信號，導(dǎo)致直流系統(tǒng)強(qiáng)迫停運(yùn)。

反措或建議:1)要加大對各保護(hù)邏輯的排查，利用各種停電機(jī)會對各保護(hù)進(jìn)行傳動檢查和升級改造，確保各保護(hù)動作報(bào)警值符合閥冷實(shí)際運(yùn)行情況。2)為每套控制和保護(hù)系統(tǒng)實(shí)施雙重化甚至三重化配置，每套配置包括獨(dú)立的硬件電路和功能軟件，在保護(hù)功能出口邏輯上采用 “三取二”原則，在控制系統(tǒng)中設(shè)置測量值異常監(jiān)視功能等。

2.7 其他故障

另外，閥冷系統(tǒng)的其他常見故障還包括驅(qū)動電機(jī)皮帶老化、噴淋水系統(tǒng)結(jié)冰、保護(hù)裝置拒動或勿動等、工作電源諧波嚴(yán)重等。

3 結(jié)語

閥冷系統(tǒng)作為換流站的重要組成部分，它的性能直接決定著直流系統(tǒng)的安全，必須引起足夠的重視。目前閥冷系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展已比較成熟，運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)也愈為豐富，因此對各類缺陷的發(fā)生應(yīng)以預(yù)防為主，尤其是注重按照反事故措施的要求開展閥冷系統(tǒng)的隱患排查工作，提前根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)制定相應(yīng)的事故防范措施，特別要注意冷卻水流量低、內(nèi)冷水泄漏、冷卻塔腐蝕等常發(fā)問題，確保直流輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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Analysis and Countermeasure of the Water Cooling System Fault for HV DC Converter Valve

YAN Ying，YAN Guilin，HAO Jianbo
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

Valve cooling system is the major auxiliary system in HV DC converter station and it plays an important role in the normal operation of the converter valve.Taking the widely used water cooling system as an example，combining with some DC system operation failures caused by valve-cooling system exception，it concludes some typical defect types.Meanwhile，the corresponding preventive measures are given as references to enhance the operation reliability of the valve cooling system.

converter station；valve-cooling system；fault analysis；preventive measures

TM721.1

B

1008-0198(2017)04-0056-03

閆迎(1985)，男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)殡娏υO(shè)備故障診斷與處理。

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.04.016

2017-02-15 改回日期:2017-04-24