閆 俊，周 策，杜麗華

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)電力事業(yè)的發(fā)展，特高壓換流站的建設(shè)與應(yīng)用得到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。作為電力輸送的關(guān)鍵一環(huán)，特高壓換流站的安全與穩(wěn)定成為電力建設(shè)的重要研究課題。在特高壓換流站的幾大功能模塊中，閥冷卻系統(tǒng)是其最重要的輔助設(shè)備之一。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，它可以直接給出閉鎖指令，引發(fā)換流站工作故障，從而直接影響整個(gè)直流系統(tǒng)的運(yùn)行[1]。

1 閥冷卻系統(tǒng)

換流站中最核心的設(shè)備是換流閥[2]，它在進(jìn)行交直流轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，閥冷卻系統(tǒng)通過(guò)冷卻介質(zhì)帶走這些熱量，從而使換流閥維持在一定的安全溫度范圍內(nèi)。雁門關(guān)換流站閥冷卻系統(tǒng)以水作為冷卻介質(zhì)，由閥內(nèi)冷系統(tǒng)和閥外冷系統(tǒng)兩部分組成，其中，閥內(nèi)冷系統(tǒng)分為一級(jí)冷卻回路和二級(jí)冷卻回路，閥外冷系統(tǒng)作為三級(jí)冷卻回路，閥冷卻系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

1.1 閥內(nèi)冷水系統(tǒng)

閥內(nèi)冷水系統(tǒng)是一個(gè)密閉的循環(huán)水系統(tǒng)，其直接將閥體中各元器件產(chǎn)生的熱量排放到閥廳外，因此，閥內(nèi)冷水系統(tǒng)一般對(duì)水質(zhì)的要求較高。雁門關(guān)換流站閥內(nèi)冷卻系統(tǒng)主要包括主循環(huán)回路、水處理系統(tǒng)、風(fēng)冷系統(tǒng)、加熱器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。如圖1中內(nèi)冷卻系統(tǒng)流程圖所示，內(nèi)冷水有2個(gè)循環(huán)方式，分別作為一級(jí)冷卻回路和二級(jí)冷卻回路。

在閥內(nèi)冷水系統(tǒng)中，主循環(huán)回路主要包含主循環(huán)泵、管道回路、補(bǔ)水泵、補(bǔ)水罐、膨脹罐、各種閥門等，其中，主循環(huán)泵配置2臺(tái)，互為備用；補(bǔ)水泵配置2臺(tái)，互為主輔；補(bǔ)水罐用來(lái)存儲(chǔ)蒸餾水，當(dāng)內(nèi)冷水系統(tǒng)水量不足時(shí)，通過(guò)補(bǔ)水泵為內(nèi)冷水提供水源；膨脹罐的主要作用是減緩內(nèi)冷水因水溫的變化而帶來(lái)的膨脹壓力，并對(duì)內(nèi)冷水的水位起到一定的監(jiān)視作用。水處理系統(tǒng)由過(guò)濾器、脫氣罐、離子交換器組成，通過(guò)水處理系統(tǒng)使內(nèi)冷卻水具有低導(dǎo)電率，無(wú)結(jié)垢、結(jié)塊、氣泡等現(xiàn)象，確保閥內(nèi)冷系統(tǒng)水質(zhì)。風(fēng)冷系統(tǒng)作為閥內(nèi)冷卻系統(tǒng)主要的冷卻方式，通常配備變頻控制器根據(jù)內(nèi)冷水的溫度調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，從而將內(nèi)冷水控制在一定的溫度范圍內(nèi)。從圖1中可以看出，閥內(nèi)冷系統(tǒng)在主循環(huán)泵及風(fēng)冷系統(tǒng)前都配置有若干加熱器，這是為了防止因環(huán)境溫度過(guò)低導(dǎo)致內(nèi)冷水溫度低于0℃以下，造成管道結(jié)冰、凍裂，管路及換流閥器件表面凝露等危險(xiǎn)情況發(fā)生。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括一些濕度、壓力、溫度表計(jì)等。

圖1 閥冷卻系統(tǒng)流程圖

當(dāng)啟用一級(jí)冷卻回路時(shí)，電磁閥1、三通電磁閥1、電磁閥2、三通電磁閥2均關(guān)閉，內(nèi)冷卻水經(jīng)過(guò)換流閥閥廳將晶閘管元件工作時(shí)產(chǎn)生的熱量帶走，通過(guò)主循環(huán)泵提供的循環(huán)動(dòng)力在一級(jí)冷卻回路中進(jìn)行循環(huán)，并在循環(huán)的過(guò)程中將一定的熱量散發(fā)至周圍環(huán)境中?？梢钥闯?，一級(jí)冷卻回路僅適用于換流閥溫度不高或者環(huán)境溫度較低的情況。當(dāng)換流閥發(fā)熱量較大，一級(jí)冷卻回路不能滿足換流閥散熱要求時(shí)，電磁閥1、三通電磁閥1，或者電磁閥2、三通電磁閥2打開(kāi)，內(nèi)冷卻水經(jīng)過(guò)主循環(huán)泵后進(jìn)入二級(jí)冷卻回路，流通至風(fēng)冷系統(tǒng)進(jìn)行二級(jí)降溫，然后再循環(huán)至換流閥。

1.2 閥外冷水系統(tǒng)

閥外冷水系統(tǒng)是一個(gè)非密閉的循環(huán)水系統(tǒng)，其主循環(huán)回路主要包括噴淋泵、管道回路、緩沖水池、原水及各種閥門等，其中，每臺(tái)冷卻塔配備有主、備兩臺(tái)噴淋泵，為外冷水循環(huán)提供動(dòng)力；雁門關(guān)換流站共配置2臺(tái)冷卻塔，每臺(tái)冷卻塔配有噴淋裝置，以及2臺(tái)變頻冷卻風(fēng)機(jī)；水處理系統(tǒng)主要包括加藥回路、過(guò)濾器、軟水器等，防止外冷水結(jié)垢、腐蝕管道；與閥內(nèi)冷系統(tǒng)相似，閥外冷水?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括一些濕度、壓力、溫度表計(jì)等。

雁門關(guān)換流站閥外冷水系統(tǒng)作為三級(jí)冷卻回路來(lái)維持換流閥體溫度，當(dāng)一級(jí)、二級(jí)冷卻回路都不能滿足換流閥降溫需求時(shí)，投入閥外冷水系統(tǒng)，并根據(jù)實(shí)際情況選擇投入冷卻塔的數(shù)量，此時(shí)噴淋泵、冷卻風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，外冷卻水從緩沖水池通過(guò)噴淋裝置為內(nèi)冷水管道進(jìn)行降溫，產(chǎn)生的蒸汽由冷卻風(fēng)機(jī)排出，從而加快熱交換速度，剩余外冷卻水再次排入緩沖水池。加藥回路旁路泵、加藥泵應(yīng)處于常開(kāi)狀態(tài)，確保外冷卻水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。當(dāng)緩沖水池水位較低時(shí)，補(bǔ)水閥開(kāi)啟，原水經(jīng)過(guò)濾器、軟水器處理后進(jìn)入緩沖水池，迅速補(bǔ)充外冷卻水。當(dāng)環(huán)境溫度處于高溫階段，閥體溫度較高時(shí)，可向緩沖水池中加入適量冰塊，以迅速降低換流閥溫度。

1.3 閥冷卻控制系統(tǒng)

閥冷卻控制系統(tǒng)對(duì)冷卻設(shè)備直接下達(dá)指令，起到大腦指揮作用，是閥冷卻系統(tǒng)穩(wěn)定、安全運(yùn)行的保障，也是其核心內(nèi)容。閥冷卻控制系統(tǒng)的主要內(nèi)容包括冷卻系統(tǒng)的控制、保護(hù)及監(jiān)控。閥冷卻系統(tǒng)的交、直流電源，可編程邏輯控制器PLC（programmable logic control） 的中央處理器CPU（central processing unit）、模擬量及數(shù)字量輸入輸出模塊I/O（input/output）模塊、通信模塊均采用冗余配置。當(dāng)一路電源或控制單元發(fā)生故障時(shí)，進(jìn)行無(wú)擾切換，確保閥冷卻系統(tǒng)安全穩(wěn)定、不間斷運(yùn)行。

2 閥冷卻系統(tǒng)故障分析

作為換流站的重要輔助系統(tǒng)，閥冷卻系統(tǒng)必須保持長(zhǎng)期安全、可靠運(yùn)行。據(jù)統(tǒng)計(jì)，有近25%的換流站閉鎖事故是由閥冷卻系統(tǒng)故障引起的[3]。本文通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析事故案例，將這些事故的原因分為設(shè)備故障、控制及保護(hù)缺陷、管理缺失3個(gè)方面。

設(shè)備故障是閥冷卻系統(tǒng)跳閘的主要因素，常見(jiàn)的有循環(huán)泵故障、閥門故障、傳感器擾動(dòng)誤報(bào)、傳感器故障、系統(tǒng)漏水、水管脫落、腐蝕、電導(dǎo)率過(guò)高等。例如鵝城換流站曾因內(nèi)冷卻水管法蘭漏水引發(fā)系統(tǒng)跳閘，導(dǎo)致停運(yùn)[4]。

控制及保護(hù)缺陷一般是由控制及保護(hù)策略設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致，在閥冷卻系統(tǒng)處于特殊工作狀態(tài)或受到干擾時(shí)，控制器下達(dá)錯(cuò)誤指令使得系統(tǒng)跳閘，引發(fā)換流站閉鎖。常見(jiàn)的故障有：保護(hù)定值設(shè)置不合理、傳感器未冗余配置、泵切換失敗、保護(hù)跳閘延時(shí)不合理等。例如，2013年7月，復(fù)龍換流站站用電系統(tǒng)異常震蕩，致使循環(huán)泵切換失敗，引發(fā)低流量保護(hù)動(dòng)作跳閘[5]。

閥冷卻系統(tǒng)管理缺失會(huì)間接導(dǎo)致設(shè)備故障、控制及保護(hù)缺陷，通過(guò)對(duì)多起閥冷卻系統(tǒng)故障分析可以看出，閥冷卻系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行離不開(kāi)嚴(yán)謹(jǐn)、全面的管理體系。例如，鵝城換流站可通過(guò)定期設(shè)備巡檢發(fā)現(xiàn)內(nèi)冷卻水漏水征兆，進(jìn)而避免系統(tǒng)事故。

根據(jù)以往發(fā)生的事故案例，多數(shù)文章對(duì)某特定故障類型進(jìn)行分析并提出相對(duì)應(yīng)的優(yōu)化和整改措施[6-10]，從而提升閥冷卻系統(tǒng)安全性，但是這樣易忽視整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)模塊之間、系統(tǒng)與管理之間的關(guān)聯(lián)性。因此，本文根據(jù)以往的閥冷卻系統(tǒng)故障的相關(guān)案例分析，結(jié)合雁門關(guān)換流站的實(shí)際情況提出閥冷卻系統(tǒng)及管理優(yōu)化方案，進(jìn)一步提升閥冷卻系統(tǒng)的可靠性。

3 閥冷卻系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 循環(huán)泵切換優(yōu)化

電源切換可能使主、備循環(huán)泵發(fā)出瞬時(shí)故障信號(hào)，引發(fā)循環(huán)泵切換失敗，因此在循環(huán)泵切換控制系統(tǒng)中，應(yīng)當(dāng)將電源切換時(shí)循環(huán)泵故障信號(hào)發(fā)出時(shí)間延時(shí)1 s，避免誤發(fā)故障信號(hào)引發(fā)循環(huán)泵切換失敗。其系統(tǒng)邏輯圖如圖2所示。

圖2 循環(huán)泵切換保護(hù)邏輯圖

3.2 在線儀表檢測(cè)優(yōu)化

雁門關(guān)換流站閥冷卻系統(tǒng)中主要有溫度、壓力、流量、液位等9類共200余塊儀表和傳感器，這些設(shè)備是閥冷卻系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的重要依據(jù)。為避免異常干擾、擾動(dòng)等引發(fā)系統(tǒng)跳閘，對(duì)主要保護(hù)邏輯進(jìn)行優(yōu)化，重要測(cè)點(diǎn)采取3取2的冗余方式：模擬量均無(wú)故障時(shí)，從3個(gè)選取數(shù)值取中值進(jìn)行判斷；1臺(tái)儀表故障時(shí)，從其余2個(gè)測(cè)點(diǎn)取均值進(jìn)行判斷；2臺(tái)儀表故障時(shí)，采用單臺(tái)無(wú)故障測(cè)點(diǎn)數(shù)值進(jìn)行判斷；3臺(tái)儀表均故障時(shí)，發(fā)出傳感器故障信號(hào)。

雁門關(guān)換流站多處儀表、傳感器安裝未滿足最小影響原則，易導(dǎo)致壓力測(cè)點(diǎn)受到影響、測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確等問(wèn)題。為避免此類問(wèn)題發(fā)生，應(yīng)調(diào)整儀表、傳感器安裝位置，將測(cè)壓儀器安裝于測(cè)溫儀器之前，儀表、傳感器安裝距離避免過(guò)近，以減少干擾。

3.3 系統(tǒng)保護(hù)優(yōu)化

雁門關(guān)換流站閥冷卻系統(tǒng)主要配備壓力低保護(hù)、流量低保護(hù)、溫度高保護(hù)、微分泄漏保護(hù)、液位低保護(hù)，為避免系統(tǒng)擾動(dòng)、瞬時(shí)超限引發(fā)系統(tǒng)跳閘，在跳閘信號(hào)發(fā)出之前，應(yīng)先后設(shè)置報(bào)警和延時(shí)邏輯，系統(tǒng)邏輯圖如圖3所示。

圖3 閥冷卻系統(tǒng)保護(hù)邏輯圖

3.4 風(fēng)機(jī)控制優(yōu)化

雁門關(guān)換流站閥冷卻風(fēng)冷系統(tǒng)共配置5排、8列共40臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)，其中，第1、2排冷卻風(fēng)機(jī)為變頻風(fēng)機(jī)，用以調(diào)節(jié)風(fēng)冷系統(tǒng)控制溫度，其余為工頻風(fēng)機(jī)。風(fēng)冷系統(tǒng)是二級(jí)冷卻回路主要內(nèi)容?？紤]到雁門關(guān)換流站緯度較高，冬季時(shí)節(jié)前后晝夜溫差大等特點(diǎn)，對(duì)風(fēng)冷系統(tǒng)進(jìn)行控制優(yōu)化，進(jìn)而降低能耗、提高冷卻效率，具體內(nèi)容有以下幾方面。

a）當(dāng)進(jìn)閥水溫處于低溫度段時(shí)，閥冷卻系統(tǒng)主要通過(guò)一級(jí)冷卻回路自然冷卻和加熱器對(duì)內(nèi)冷水溫度進(jìn)行控制。

b）當(dāng)進(jìn)閥水溫進(jìn)入中溫段并未達(dá)到高溫段時(shí)，電磁閥1、三通電磁閥1，或者電磁閥2、三通電磁閥2打開(kāi)，此時(shí)冷卻風(fēng)機(jī)無(wú)需啟動(dòng)，系統(tǒng)主要以自然冷卻方式運(yùn)行。其中，冷卻強(qiáng)度通過(guò)三通電磁閥開(kāi)度控制，以中溫段初始溫度時(shí)三通電磁閥開(kāi)度為0%，高溫段初始溫度時(shí)三通電磁閥開(kāi)度為100%進(jìn)行線性控制，從而調(diào)節(jié)內(nèi)冷卻水進(jìn)入風(fēng)冷系統(tǒng)的比例。

c）當(dāng)進(jìn)閥水溫進(jìn)入高溫段，且高于風(fēng)機(jī)啟動(dòng)值保持1 min后，投入風(fēng)冷系統(tǒng)，第一排冷卻風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，當(dāng)?shù)谝慌庞酗L(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，且進(jìn)閥水溫高于目標(biāo)值1℃并持續(xù)1 min，啟動(dòng)第二排風(fēng)機(jī)，同理依次啟動(dòng)第三排至第五排風(fēng)機(jī)。其中第一、二排風(fēng)機(jī)為變頻風(fēng)機(jī)，采用比例—積分—微分PID（proportion-integral-differential） 控制風(fēng)機(jī)投入數(shù)量和運(yùn)行頻率。

d）當(dāng)進(jìn)閥水溫低于目標(biāo)值1℃且持續(xù)1 min后，依次停止先啟動(dòng)的工頻風(fēng)機(jī)，最后降低變頻風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率，直至停止。

e）當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生驟降，進(jìn)閥溫度超過(guò)報(bào)警值時(shí)，風(fēng)冷系統(tǒng)前加熱器應(yīng)自動(dòng)運(yùn)行，再進(jìn)行風(fēng)冷系統(tǒng)退出作業(yè)，避免溫度急劇降低，風(fēng)冷系統(tǒng)來(lái)不及完全退出，引發(fā)管道結(jié)冰、凍裂等事故。

4 閥冷卻系統(tǒng)管理優(yōu)化

4.1 系統(tǒng)性能試驗(yàn)

控制系統(tǒng)的可靠性對(duì)于閥冷卻系統(tǒng)尤為重要，要求在年度檢修項(xiàng)目中進(jìn)行相應(yīng)系統(tǒng)性能試驗(yàn)，主要包括：電源切換試驗(yàn)、各類備用泵聯(lián)鎖啟動(dòng)試驗(yàn)、各項(xiàng)系統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作試驗(yàn)等。定期主循環(huán)泵切換應(yīng)選擇低負(fù)荷時(shí)間段，避免切換失敗對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)造成影響。

4.2 報(bào)警分級(jí)

雁門關(guān)換流站閥冷卻系統(tǒng)未進(jìn)行系統(tǒng)報(bào)警分級(jí)，易使工作人員面對(duì)報(bào)警時(shí)不分主次，隨意采取緊急處理措施，導(dǎo)致重要隱患無(wú)法第一時(shí)間處理得當(dāng)，而當(dāng)報(bào)警信息頻繁時(shí)，易放松警惕，忽略重要隱患。因此，建議將閥冷卻系統(tǒng)報(bào)警進(jìn)行三級(jí)分類，其中第三級(jí)報(bào)警優(yōu)先級(jí)、重要程度最高。面對(duì)三級(jí)報(bào)警時(shí)，工作人員需立即行動(dòng)，采取應(yīng)急方案。當(dāng)面對(duì)優(yōu)先級(jí)較低報(bào)警信號(hào)時(shí)，工作人員可有時(shí)間對(duì)信息進(jìn)行分析、排查，避免高危隱患發(fā)生。

在各項(xiàng)保護(hù)定值中也應(yīng)進(jìn)行分級(jí)設(shè)定，例如，內(nèi)冷水閥前溫度保護(hù)定值應(yīng)設(shè)定低一值、低二值、低三值。低一值表明閥前溫度低于設(shè)定溫度，但短時(shí)間不影響系統(tǒng)運(yùn)行，超過(guò)低一值時(shí)應(yīng)發(fā)出一級(jí)報(bào)警信號(hào)；低二值表示閥前溫度明顯低于設(shè)定溫度，有可能影響系統(tǒng)運(yùn)行，超出此值時(shí)應(yīng)發(fā)出二級(jí)報(bào)警信號(hào)；超過(guò)低三值則表示閥前溫度已不滿足系統(tǒng)運(yùn)行條件，立即發(fā)出三級(jí)報(bào)警信號(hào)，并經(jīng)過(guò)延時(shí)后發(fā)出跳閘信號(hào)。

4.3 儀表及傳感器整改

雁門關(guān)換流站閥冷卻系統(tǒng)配置近200塊儀表、傳感器，這些表計(jì)部分未進(jìn)行檢定工作，表計(jì)精確度無(wú)法得到保證。針對(duì)此問(wèn)題，應(yīng)在每次年度檢修期間進(jìn)行表計(jì)送檢、量值傳遞工作，確保各表計(jì)精度準(zhǔn)確、降低故障發(fā)生率；同時(shí)，各類冗余表計(jì)、傳感器數(shù)值都應(yīng)顯示在系統(tǒng)換面中，而不應(yīng)當(dāng)僅顯示模擬量冗余計(jì)算后的取值，這樣不利于故障信號(hào)的判斷。

5 結(jié)束語(yǔ)

統(tǒng)計(jì)分析了全國(guó)近期閥冷卻系統(tǒng)事故案例，提出了增加循環(huán)泵故障信號(hào)時(shí)間延時(shí)進(jìn)而避免錯(cuò)誤跳閘，重要測(cè)點(diǎn)采取三取二的冗余方式，加強(qiáng)儀表、傳感器量值傳遞工作，建立報(bào)警分級(jí)制度，優(yōu)化風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)，健全在線儀表檢測(cè)、報(bào)警分級(jí)、系統(tǒng)保護(hù)、風(fēng)機(jī)控制、系統(tǒng)性能試驗(yàn)等閥冷卻系統(tǒng)性能試驗(yàn)機(jī)制等優(yōu)化方案，從而提高閥冷卻系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性，可為其他相關(guān)工程改進(jìn)提供借鑒。