中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司廣州局 梁 律

引言

特高壓轉(zhuǎn)換器的開閥式水冷系統(tǒng)是直流輸電系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其正常運(yùn)行也涉及直流功率傳輸系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行。在特殊的情況下，直流閥水冷控制系統(tǒng)的一些控制邏輯和保護(hù)功能可直接鎖定在直流控制系統(tǒng)，如注意不當(dāng)可能會(huì)造成直流傳輸功率的強(qiáng)制下降。

目前在特高壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)所運(yùn)行階段的事故和異常都與設(shè)計(jì)、建造過程有關(guān)，這些隱含的風(fēng)險(xiǎn)雖并不包括在相應(yīng)的控制手段和措施，但隨著換流站運(yùn)用時(shí)長的增加，會(huì)逐漸呈現(xiàn)出困難且不完全的整流現(xiàn)象。結(jié)合我國大多數(shù)換流閥水冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和施工階段的問題點(diǎn)，通過對(duì)與深挖相同的隱蔽危險(xiǎn)性進(jìn)行詳細(xì)分析，以確?，F(xiàn)場工程的安全性、品質(zhì)、進(jìn)步為前提，制定了特定的對(duì)策，本文提出了今后設(shè)計(jì)優(yōu)化的提案。

特高壓直流輸電系統(tǒng)由于其容量相對(duì)很大且距離較遠(yuǎn)及損耗少的優(yōu)勢，在國家供電系統(tǒng)中獲得不錯(cuò)的發(fā)展，已廣泛融入到各個(gè)領(lǐng)域并得到國際認(rèn)可。而在世界電力網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定發(fā)展的推動(dòng)下，也使得特高壓直流電力輸送工程技術(shù)對(duì)于推動(dòng)全世界發(fā)電事業(yè)的健康發(fā)展起到不可取代的作用。而換流站也在直流電力輸送工程技術(shù)當(dāng)中占有著關(guān)鍵的地位，須加強(qiáng)重視，確?？捎行?duì)換流閥的應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整，使其能更加有效的輸出能量。而在受電端，換流閥或逆變器則可將直流電逆變成交換電，給后端供電帶來較為充沛的電能。此外，在某些情形下其也能夠透過變換控制方式讓整流器逆變器與角色互換，為后期電力供應(yīng)及輸入提供更多幫助，最大化發(fā)揮換流閥應(yīng)用的效果。

圖1 某換流站閥水冷系統(tǒng)原理圖

1 特高壓閥水冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及配置方法

特高壓換流閥在正?；顒?dòng)期間會(huì)產(chǎn)生很多熱量。為確保在常溫下運(yùn)行、防止高溫?fù)p傷，需要冷卻系統(tǒng)。根據(jù)其功能，分為閥門內(nèi)部冷卻系統(tǒng)和閥門外部冷卻系統(tǒng)。

閥門內(nèi)部冷卻系統(tǒng)通過主循環(huán)泵的工作使閉路內(nèi)的內(nèi)部冷卻水循環(huán)，在流經(jīng)轉(zhuǎn)換器閥時(shí)取熱，使轉(zhuǎn)換器閥在通常的溫度下工作。閥門內(nèi)部冷卻系統(tǒng)具有分流水處理電路，用于在特定時(shí)間內(nèi)純化所有內(nèi)部冷卻水，以保證一定范圍內(nèi)的導(dǎo)電率是可靠的；閥門的外部冷卻系統(tǒng)是開放設(shè)計(jì)。冷卻塔通過風(fēng)機(jī)產(chǎn)生上方氣流，噴霧泵從噴霧池取出噴霧水生成下方的水流，形成冷卻塔內(nèi)的對(duì)流，冷卻塔內(nèi)線圈內(nèi)流動(dòng)的內(nèi)部冷水。噴涂水在減少了噴涂水的硬度后，要在噴涂水中去除反沖和微生物、然后進(jìn)入噴涂池，必須采用一套水預(yù)處理系統(tǒng)。

特高壓換流站有4個(gè)換流閥，每個(gè)換流閥都配備有獨(dú)立的閉閥式閥水冷裝置。每個(gè)閥門都包括一套完整的水冷卻裝置：一套閥門內(nèi)部冷卻系統(tǒng)、一套閥門外部冷卻系統(tǒng)、一套內(nèi)部冷卻系統(tǒng)的電源和控制系統(tǒng)、一套外部冷卻系統(tǒng)的電源和控制系統(tǒng)、工業(yè)水泵成套設(shè)備和所有設(shè)備的管道。

圖2 換流閥冷卻塔系統(tǒng)流程圖

2 直流反措及精益化評(píng)價(jià)要求

我國南網(wǎng)直流換流站的單極、雙極閉塞防止對(duì)策《防止外部閥冷卻系統(tǒng)故障導(dǎo)致的鎖定》、《用于實(shí)現(xiàn)和評(píng)估轉(zhuǎn)換器閥水冷系統(tǒng)的所有工程技術(shù)管理的精益管理的詳細(xì)規(guī)則》，從五個(gè)階段提出了內(nèi)部閥冷卻系統(tǒng)和外部閥冷卻系統(tǒng)的相關(guān)要求。制定采購、制造、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、接收、運(yùn)營、維護(hù)、特定的預(yù)防措施。其中，“防止閥水冷系統(tǒng)故障鎖定”的企劃、設(shè)計(jì)階段關(guān)注主循環(huán)泵、傳感器等重要硬件設(shè)備的構(gòu)成原理?？刂坪捅Ｗo(hù)系統(tǒng)以及所有類型的保護(hù)構(gòu)成原理一樣，資本建設(shè)和安裝階段集中在管道和主要泵及其電機(jī)的安裝方法和安裝要求上。

在“防止因關(guān)斷閥冷卻系統(tǒng)故障而鎖定”的計(jì)劃和設(shè)計(jì)階段，在以冷卻塔、風(fēng)扇馬達(dá)、噴霧泵的電源設(shè)計(jì)、邏輯控制、環(huán)境要求為焦點(diǎn)的資本構(gòu)筑和設(shè)置階段，應(yīng)明確冷卻塔熱交換線圈的安裝模式和工藝質(zhì)量，并研究緩沖池和鹽池的防污設(shè)計(jì)。由于新技術(shù)和產(chǎn)品的應(yīng)用，在提高機(jī)器的可靠性的同時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一些新的缺陷和隱藏的危險(xiǎn)性。為了防止事故和事故的發(fā)生，現(xiàn)場具有很多的實(shí)踐練習(xí)和跟蹤練習(xí)，需要電網(wǎng)人員進(jìn)一步地分析和發(fā)掘，來正確地推進(jìn)預(yù)防對(duì)策。

3 特高壓閥水冷系統(tǒng)隱患分析及防范措施

閥冷系統(tǒng)一般在硬件設(shè)備產(chǎn)生故障或受損時(shí)會(huì)產(chǎn)生一系列問題，其中更加需要注意的監(jiān)測目標(biāo)為閥組的跳閘，閥水冷控制系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)監(jiān)控各種操作參數(shù)的功能，當(dāng)一些參數(shù)信息異常時(shí)，控制保護(hù)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)引發(fā)跳閘操作以確保硬件設(shè)備的安全性，瞬間的異常則不會(huì)引起以上情況。在保護(hù)配置中，時(shí)間將被視為控制因素，而只會(huì)在其持續(xù)時(shí)間達(dá)到特定長度后才會(huì)引發(fā)。

目前，大部分換流站的閥冷系統(tǒng)的重要傳感器具有三種冗余配置，并且可編程控制器接收傳感器信號(hào)，可編程控制器通過程序設(shè)置處理接收信號(hào)。另一方面用于控制閥冷系統(tǒng)，例如將入口閥溫度達(dá)到設(shè)定值，啟動(dòng)噴霧水泵，若將緩沖池液面監(jiān)視到設(shè)定值，則需停止工業(yè)化補(bǔ)水泵。另一方面，膨脹罐的液面液位沒有達(dá)到安全閾值導(dǎo)致出口閥群引發(fā)跳閘，如果發(fā)現(xiàn)入口閥溫度成為最大值、出口閉塞等現(xiàn)象，需要直接啟動(dòng)閥冷卻系統(tǒng)保護(hù)，閉鎖直流系統(tǒng)。

3.1 系統(tǒng)水冷主回路隱患分析及防范措施

閥水冷卻系統(tǒng)主水電回路中，最常見的問題就是里面冷卻水的泄露或滲漏，引起了漏水保護(hù)功能。壓力感應(yīng)器前端的換流閥那樣的閥門，因?yàn)殚L期的運(yùn)行而產(chǎn)生松動(dòng)，里面的冷卻水就稍微泄漏了。但是假如他們繼續(xù)緩慢運(yùn)動(dòng)，就會(huì)引起里面冷卻水的快速滲漏。此外，內(nèi)部溫度在冬天會(huì)出現(xiàn)較大變動(dòng)，由于熱膨脹和冷卻收縮內(nèi)部冷卻水位也會(huì)變化。在運(yùn)行監(jiān)控中早晚都應(yīng)定時(shí)記錄內(nèi)部冷卻水位，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)應(yīng)立即檢查。同時(shí)也須檢測內(nèi)部有關(guān)閥門，并在年維護(hù)期內(nèi)擰緊[1]。換流站閥水冷系統(tǒng)主要使用頻率轉(zhuǎn)換器來控制泵和冷卻塔風(fēng)扇的速度。根據(jù)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況和經(jīng)驗(yàn)，頻率轉(zhuǎn)換器大多由于高溫和內(nèi)部的塵埃而異常工作，主泵和冷卻塔風(fēng)扇發(fā)生異常運(yùn)轉(zhuǎn)，直接流系統(tǒng)被切斷。

整改措施∶取消內(nèi)冷水溫度、電導(dǎo)率、膨脹水箱水位冗余傳感器超差跳閘出口邏輯，僅保留告警信號(hào)回路。需要維持內(nèi)部冷卻水室的低溫和清凈性，定期檢查頻率變換器的溫度，置換頻率變換器的濾波面。

3.2 交流電源電壓監(jiān)視繼電器隱患分析及防范措施

主要泵、噴霧泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)和閥冷卻系統(tǒng)等設(shè)備由兩個(gè)冗余電源供給。當(dāng)監(jiān)視電路檢測到主電源故障時(shí)，為了確保閥水冷系統(tǒng)的順暢動(dòng)作，切換到待機(jī)電源。閥冷卻方式的交流電源電壓監(jiān)視繼電器是將該交流電源用于電源的，因此在發(fā)生交流電源重大故障時(shí)繼電器的監(jiān)視功能可能發(fā)生故障，結(jié)果會(huì)導(dǎo)致電源開關(guān)的切換和閥門組的切換失敗。整改措施：將交流電源電壓監(jiān)視繼電器替換為通過直流電源獨(dú)立供電的電壓監(jiān)視繼電器。電壓監(jiān)視繼電器的通常動(dòng)作不受交流電源故障的情況影響，確保監(jiān)視開關(guān)電路的穩(wěn)定動(dòng)作。

3.3 傳感器及控制保護(hù)系統(tǒng)隱患分析及防范措施

通常換流站的閥水冷系統(tǒng)的傳感器是雙重結(jié)構(gòu)。測量一個(gè)傳感器時(shí)的誤差不通過水冷系統(tǒng)的保護(hù)口，但需防止主泵前后內(nèi)部冷卻水的溫度、流量和水壓的測量誤差等傳感器的測量誤差。影響水冷卻控制功能。閥水冷控制、保護(hù)系統(tǒng)的電子設(shè)備需要環(huán)境溫度和清洗，確?？刂啤⒈Ｗo(hù)裝置的運(yùn)行環(huán)境。閥水冷控制和保護(hù)系統(tǒng)有兩套，在兩個(gè)系統(tǒng)的控制和保護(hù)系統(tǒng)之間進(jìn)行通信。如果兩個(gè)系統(tǒng)之間的通信設(shè)計(jì)不合理，則兩個(gè)系統(tǒng)在通信故障之后可終止操作狀態(tài)。閥水冷系統(tǒng)的控制、保護(hù)和監(jiān)視功能有多個(gè)，由監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)的事件記錄完整，序列應(yīng)該正確。如果裝置的事件記錄的順序有誤或者省略了相關(guān)事件記錄，水冷系統(tǒng)的監(jiān)控、分析和判斷會(huì)受到影響。

整改措施：需要余化改造傳感器件，加強(qiáng)傳感器回路抗干擾性能，尤其是閥廳里的傳感器，如膨脹水箱液位、冷卻塔的壓力等，加強(qiáng)傳感器使其本體接地，要保證接地線可接地，并將抗干擾磁環(huán)增加到傳感器回路中，著力減少測量數(shù)據(jù)誤差，以確保測量數(shù)據(jù)正確性[2]。

3.4 閥外冷系統(tǒng)水池水位傳感器

外部冷卻池的水位傳感器是單一結(jié)構(gòu)，當(dāng)水池的水位低于80%時(shí)系統(tǒng)開始啟動(dòng)工業(yè)化補(bǔ)水泵，以補(bǔ)充因冷卻而消耗的外部冷卻水。當(dāng)測定值等異常達(dá)到90%以上時(shí)外部冷水等級(jí)控制功能失效，補(bǔ)水泵則不開始補(bǔ)給水。當(dāng)外部冷卻水池內(nèi)的水被耗盡時(shí)，噴霧泵在空轉(zhuǎn)情況時(shí)變得容易燒壞，對(duì)內(nèi)部冷卻水的冷卻效果產(chǎn)生嚴(yán)重影響，內(nèi)部冷卻水的溫度如果超過上限，閥組就會(huì)發(fā)生跳閘。

整改措施：將外部冷卻池的水位傳感器做到冗余轉(zhuǎn)換，可將單個(gè)電阻水位傳感器改變?yōu)榕c浮動(dòng)球水位傳感器并行邏輯連接，以避免由于單個(gè)傳感器的故障而引起的測量異常，并提高池的水位測量的可靠性。在轉(zhuǎn)換完成之前可每天檢查外部冷卻水箱的實(shí)際水位，通過監(jiān)測工作站可觀察和分析外部冷卻水位數(shù)據(jù)，并可由此得知一定程度的傳感器異常狀態(tài)。

3.5 閥水冷系統(tǒng)地下穿線管隱患分析及防范措施

特高壓換流站的水冷閥采用了沉沒的噴霧池和沉沒的噴霧泵坑（位于4m的地下）的設(shè)計(jì)。許多內(nèi)部的電線和控制線必須從地下螺紋管引導(dǎo)到地面相關(guān)的力量或控制面板和柜。由于水位低，無法采取防水措施時(shí)，可擰入管道進(jìn)行多個(gè)泵連接。斷線管的電源電纜和控制電纜可浸水，以引起絕對(duì)降低、功率損失、信號(hào)或控制電源的供應(yīng)、設(shè)備的操作的紊亂和閥門組的強(qiáng)制關(guān)機(jī)。

整改措施：在低地形的滑動(dòng)管中，使用積分不銹鋼管減少焊接。整個(gè)管道的彎曲被用于車削。如果需要焊接，則完全焊接，不允許點(diǎn)焊連接。進(jìn)水管的腐蝕（腐蝕坑或腐蝕穿孔）位于管內(nèi)壁上側(cè)，在不同的孔徑下會(huì)產(chǎn)生不同的滲流，位于焊接處采取防水和防蝕措施。

3.6 閥水冷泵坑設(shè)備室地面隱患分析及整改措施

閥水冷泵口具備噴霧泵、自循環(huán)泵和其他重要電氣設(shè)備。水泵坑距離地面4米，由于沒有空調(diào)和其他濕氣驅(qū)動(dòng)裝置，長時(shí)間呆在陰暗潮濕的地方，由于濕度的原因地面會(huì)形成積水，對(duì)電器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成不利的影響，如噴淋水、自循環(huán)等電器設(shè)備的絕緣性能下降，從而影響其使用壽命，嚴(yán)重的話會(huì)造成設(shè)備故障，且長時(shí)間的積水會(huì)對(duì)正常的檢查、操作和維修工作造成不利。

整改措施：設(shè)備設(shè)置后，地面平整，為了防止積水傾斜。為了達(dá)到除濕的目的，可在泵口設(shè)置濕式驅(qū)動(dòng)裝置或空調(diào)機(jī)[3]。

綜上，換流站的閥水冷系統(tǒng)可保證控制轉(zhuǎn)換器閥的溫度在正常范圍內(nèi)，是換流站最重要的輔助系統(tǒng)。目前，我國南部的一些輸電換流站因閥水冷系統(tǒng)常常因發(fā)生故障而關(guān)閉。閥水冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括各種泵坑、管道、閥門、風(fēng)扇和傳感器。通過對(duì)閥水冷系統(tǒng)故障及隱患進(jìn)行全面分析，從設(shè)計(jì)、安裝、操作、運(yùn)維等多角度進(jìn)行優(yōu)化處理，進(jìn)而讓換流站的閥水冷系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性得以提升。