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        一起換流站閥水冷系統(tǒng)故障問題分析及處理

        2023-07-13 05:19:34錢逸磊閆全全
        電力與能源 2023年2期
        關鍵詞:主泵水冷水流量

        劉 孝,錢逸磊,閆全全

        (國網(wǎng)上海市電力公司檢修公司,上海 200063)

        高壓直流輸電(HVDC)技術因具有傳輸容量大、傳輸距離遠、可跨區(qū)域輸送電能等優(yōu)勢,成為輸送電能的重要手段[1]。換流站作為直流輸電工程的一個樞紐點,其安全穩(wěn)定運行保證了整條線路的正常運作和電網(wǎng)供電的穩(wěn)定性與可靠性[2]。閥水冷系統(tǒng)是換流站的重要組成部分。由于運行時間久、電氣設備老化問題,閥水冷系統(tǒng)的運行可靠性會大大降低。通過對本次換流站閥水冷系統(tǒng)故障問題的分析,了解閥水冷控保的運行邏輯,可為以后直流控制保護問題的現(xiàn)場檢修提供一些思路和方法。

        1 閥水冷系統(tǒng)及閥水冷控制保護系統(tǒng)

        1.1 閥水冷系統(tǒng)簡介

        1.1.1 內水冷和外水冷系統(tǒng)

        閥水冷系統(tǒng)包括兩部分:內水冷系統(tǒng)和外水冷系統(tǒng)。內水冷系統(tǒng)是一個封閉的循環(huán)回路,低溫的冷卻介質經(jīng)由主泵加壓后進入循環(huán)管道,經(jīng)閥塔水管流入散熱器中對閥體各元件進行降溫,將元件產生的多余熱量帶走;外水冷系統(tǒng)是一個開放式的系統(tǒng),其主要功能就是對內水冷系統(tǒng)中的冷卻介質進行降溫,使其溫度降低到一定范圍內再進入閥體內循環(huán)降溫[3]。閥水冷系統(tǒng)的結構示意如圖1 所示。

        圖1 閥水冷系統(tǒng)結構示意

        1.1.2 閥水冷系統(tǒng)的主要設備

        內水冷系統(tǒng)中的主要設備如下。

        (1)主循環(huán)泵:為內冷水系統(tǒng)的循環(huán)提供動力,一般配備兩臺,一臺運行,一臺備用。

        (2)加壓泵:更換離子樹脂或者系統(tǒng)發(fā)生泄漏,對系統(tǒng)進行補水時,需要用加壓泵將水打入。

        (3)除鹽罐:內冷水從閥體出來有一小部分進入除鹽罐(10%~15%)進行去離子操作,這是為了達到使循環(huán)系統(tǒng)中的冷卻水具有高電阻率的目的。

        (4)補水罐:當膨脹罐中水位過低時,需要啟動補水回路對閥水冷系統(tǒng)進行補水。

        (5)內冷水儲存箱:儲存內冷水。

        外水冷系統(tǒng)中的主要設備如下。

        (1)冷卻塔:對內冷水中的散熱管進行冷卻。

        (2)噴淋泵:為外冷水的循環(huán)提供動力,外冷水中的水被噴淋泵抽到冷卻塔中對內冷水進行冷卻,再回流到外冷水池中,一般冷卻塔配兩臺噴淋泵,一臺運行,一臺備用。

        其他設備:系統(tǒng)中還有大量的測量傳感設備,如主泵進水和出水壓力傳感器、出閥和進閥溫度傳感器、內冷水電導率傳感器、水流量計等,用來對系統(tǒng)進行實時監(jiān)測。

        1.2 閥水冷控制保護系統(tǒng)(CCP)

        閥水冷控制保護系統(tǒng)是由CCP A、CCP B 兩套冗余系統(tǒng)組成,每套控制保護系統(tǒng)又為雙套配置CCP1 和CCP2,其中CCP1 為主保護,CCP2 為后備保護。極控系統(tǒng)(PCP)實時監(jiān)測兩個CCP系統(tǒng)的狀態(tài),如果監(jiān)測到兩個水冷控制保護系統(tǒng)都不在運行狀態(tài)則進行閉鎖直流操作[4]。閥水冷控制保護系統(tǒng)結構示意如圖2 所示。

        圖2 閥水冷控制保護系統(tǒng)結構示意

        閥水冷控制保護系統(tǒng)的主要功能是:進出水溫保護、主流量保護、分支水流量保護、泄漏保護,主要對主水流量、進出水溫度、分支流量、膨脹箱水位、主泵進出水壓力、電導率等信號進行實時監(jiān)測;同時也實現(xiàn)對主泵、冷卻塔風扇、噴淋泵、補給水箱電磁閥等設備的控制[5]。閥水冷控制保護系統(tǒng)主要保護功能示意如圖3 所示。

        圖3 閥水冷控制保護系統(tǒng)主要保護功能示意

        2 故障分析

        2.1 故障概況

        2.1.1 故障等級與動作策略

        直流控制與保護系統(tǒng)設置有三種故障等級報警:輕微、嚴重、緊急。

        (1)輕微故障(一級):設備外圍部件有輕微異常,對正常執(zhí)行控制功能無任何影響,但需要加強檢測并及時處理。

        (2)嚴重故障(二級):設備本身有較大缺陷,但仍能繼續(xù)執(zhí)行相關控制功能,需要盡快處理。

        (3)緊急故障(三級):設備關鍵部件發(fā)生重大問題,已不能繼續(xù)承擔相關控制功能,需立即退出運行進行處理。

        《國家電網(wǎng)公司防止直流換流站單、雙極強迫停運二十一項反事故措施》規(guī)定了關于直流控制系統(tǒng)故障后動作策略的相關要求。

        (1)若運行系統(tǒng)發(fā)生輕微故障,而另一系統(tǒng)處于備用狀態(tài)且無任何故障時,則系統(tǒng)切換,切換后,輕微故障系統(tǒng)將處于備用狀態(tài),當新的運行系統(tǒng)發(fā)生更為嚴重的故障時,還可以切換回此時處于備用狀態(tài)的系統(tǒng);若運行系統(tǒng)發(fā)生輕微故障,備用系統(tǒng)也發(fā)生輕微故障時,系統(tǒng)不切換。

        (2)若運行系統(tǒng)發(fā)生嚴重故障,而另一個系統(tǒng)處于備用狀態(tài)時,則系統(tǒng)切換,切換后嚴重故障系統(tǒng)不進去備用狀態(tài);若運行系統(tǒng)發(fā)生嚴重故障,而另一系統(tǒng)不可用時,嚴重故障系統(tǒng)可繼續(xù)運行。

        (3)若運行系統(tǒng)發(fā)生緊急故障,而另一系統(tǒng)處于備用狀態(tài)時,則系統(tǒng)切換,切換后緊急故障系統(tǒng)不進入備用狀態(tài);若運行系統(tǒng)發(fā)生嚴重故障,而另一系統(tǒng)不可用時,閉鎖直流。

        2.1.2 事故列表說明

        某日,某換流站極一水冷系統(tǒng)發(fā)出ESOF 信號,控制保護執(zhí)行緊急停運,跳開換流變進線開關,因極一未送功率,未發(fā)生功率損失。根據(jù)當時后臺事件報文,從02∶10∶40∶882 至02∶13∶39∶422約3 min 的時間內水冷系統(tǒng)多次上報“主泵壓差故障”,每次故障產生后會導致主泵切換。

        2.2 問題分析

        2.2.1 “主泵壓差故障”判別

        直流CCP 邏輯中關于“主泵壓差故障”的邏輯處理方式為:當CCP 采集的主水管道進水側壓力和主水管道出水側壓力均在正常范圍內(即主水管道進水側壓力在0~0.95 MPa、主水管道出水側壓力在0~1.50 MPa)時,若“主水管道進水側壓力-主水管道出水側壓力”<0.2 MPa,則產生“主泵壓差故障”報警,并進行主泵切換,若切換主泵后故障仍然存在,則繼續(xù)進行主泵切換操作,直至故障消失[6]。從事故報文可以看到,該換流站極-水冷系統(tǒng)出現(xiàn)“主泵壓差故障”時的切泵過程和上述邏輯關系一致。

        2.2.2 “主循環(huán)水流量低”判別

        直流CCP 邏輯中關于“主循環(huán)水流量低”的邏輯處理方式為:當主循環(huán)水流量低于0.8 倍額定流量時判別為流量偏低,延遲1 s 報“主循環(huán)水流量低 報警”;當主循環(huán)水流量低于0.6 倍額定流量時判別為流量超低,延遲1.5 s 左右進行主備系統(tǒng)切換,再延遲4 s 報“主循環(huán)水流量低 緊急”,同時向PCP 發(fā)送跳閘請求。

        根據(jù)現(xiàn)場后臺事故報文可知,在02∶13∶40∶388 報“主循環(huán)水流量低 報警”,延遲約1.5 s 后由于主循環(huán)水流量達到超低,水冷控制保護系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)切換,再經(jīng)過約4 s 后報“主循環(huán)水流量低緊急”并向PCP 發(fā)送了請求跳閘信號。整個過程與“主循環(huán)水流量低”邏輯關系一致。由后臺報文信息可以看到,從02∶13∶40∶148 泵一退出運行到02∶13∶44∶420 泵一運行,4 s 內無主泵處于運行狀態(tài),在此過程中分別出現(xiàn)了“主循環(huán)水流量低 報警”“主循環(huán)水流量低 緊急”,故判斷“主循環(huán)水流量低”跳閘是由兩主泵均退出運行導致的。

        2.2.3 RS8680 單板故障試驗驗證分析

        經(jīng)測試發(fā)現(xiàn),該換流站CCPA柜+1.H8.14位置和+1.H13.10 位置兩塊RS8680 插件板卡故障,一塊是板卡通道二測量數(shù)據(jù)偏低,另一塊是板卡通道三測量數(shù)據(jù)偏低。通過搭建測試平臺,依次測試板卡各通道的輸入輸出情況,驗證結論[7]顯示測試平臺結構如圖4 所示。

        圖4 測試平臺及測試點示意

        在板卡各通道分別輸入0 mA 和10 mA 電流,測試HCPL7800 輸入電壓、HCPL7800 輸出電壓、輸出至背板電壓,進行數(shù)據(jù)對比得出結論。結點電壓的測試數(shù)值如表1~4 所示。

        表1 輸入0 mA 時故障RS8680 板卡1 各測試點電壓

        表2 輸入10 mA 時故障RS8680 板卡1 各測試點電壓

        表3 輸入0 mA 時故障RS8680 板卡2 各測試點電壓

        表4 輸入10 mA 時故障RS8680 板卡2 各測試點電壓

        從表1~4 可以看出,板卡1 的通道2、板卡2 的通道3 的HCPL7800 輸出異常,與正常采樣值相比均偏低,與現(xiàn)場故障現(xiàn)象一致,推測是兩塊板卡通道異常的隔離放大芯片HCPL7800 功能失效導致的。

        2.2.4 其他可疑問題判別

        由“主泵壓差故障”邏輯判別結論可知,“主泵壓差故障”只會導致主泵切換,并不會造成主泵全停,并且CCP 邏輯中關于主泵全停的邏輯關系只有2 種可能:遠程停水;水冷系統(tǒng)泄漏。

        在整個事件過程中,后臺并未報上述兩種故障信息。對主泵1 控制回路進行分析發(fā)現(xiàn),主泵的控制指令是由+1.H13.3(RS853)開出5(主泵1開啟)和開出6(主泵1 關閉)雙節(jié)點控制+2.V23.X2ST2-2L 雙線圈輔助繼電器實現(xiàn)控制主泵啟停的。因此也可能是雙線圈輔助繼電器頻繁動作造成輸出節(jié)點不穩(wěn)定,從而導致輸出節(jié)點打開而使得主泵1 短時間停運[8]。主泵1 控制回路示意如圖5 所示。

        圖5 主泵1 控制回路示意

        現(xiàn)場檢修期間還發(fā)現(xiàn)計量主循環(huán)水流量的表計接線也存在一定的問題,應是水流量低時報警,而表計的報警狀態(tài)與邏輯相反。

        3 故障處理

        3.1 “主泵壓差故障”邏輯設置

        當出現(xiàn)“主泵壓差故障”時,應先嘗試主備系統(tǒng)切換,如果切換后,新升為運行的主系統(tǒng)未出現(xiàn)故障報警,則水冷系統(tǒng)可以繼續(xù)運行,如果新升為運行的主系統(tǒng)在運行中故障仍然存在,則繼續(xù)進行主泵切換。若完成主泵切換后故障繼續(xù)存在,則執(zhí)行主泵回切,之后保持主泵運行狀態(tài),并閉鎖“主泵壓差故障”執(zhí)行切泵的邏輯,直至故障完全消除后開放相應切換邏輯和功能,在此過程中不能影響其他切泵邏輯關系。

        3.2 雙線圈輔助繼電器測試

        主泵全停有可能是雙線圈輔助繼電器頻繁動作造成的,故對水冷系統(tǒng)中的雙線圈輔助繼電器進行測試。在停電檢修期間進行手動切換主泵試驗,觀察ST2-2L 雙線圈輔助繼電器輸出節(jié)點是否出現(xiàn)異常打開的情況。經(jīng)現(xiàn)場測試結果確認,雙線圈輔助繼電器工作狀態(tài)正常,未出現(xiàn)異?,F(xiàn)象,故排除這一故障可疑點。

        3.3 RS8680 板卡問題處理

        對RS8680 板卡進行試驗測試,結果顯示,是兩塊板卡通道異常的隔離放大芯片HCPL7800 功能失效,這是導致本次主泵停運的主要原因,為了驗證這個故障原因,將故障板卡的隔離放大芯片HCPL7800 進行更換,在之前搭建的板卡測試平臺上再次測試,測試數(shù)據(jù)顯示一切正常,在停電檢修期間對水冷系統(tǒng)配置的所有RS8680 板卡進行采樣值測試,并對異常板卡進行更換。更換隔離放大芯片HCPL7800 后板卡各點電壓測試數(shù)據(jù)如表5 所示。

        表5 更換隔離放大芯片HCPL7800 后板卡測試各點電壓

        3.4 主循環(huán)水流量計量表更換

        現(xiàn)場停電檢修期間,發(fā)現(xiàn)水冷控制保護系統(tǒng)的主循環(huán)水流量計存在問題,更換新的流量計,并設置好各個參數(shù)。

        4 討論

        (1)在水冷系統(tǒng)發(fā)生故障時,先切換控制系統(tǒng)還是主泵?一般情況下,一次系統(tǒng)出現(xiàn)問題的概率遠遠小于二次系統(tǒng),切換系統(tǒng)的時間更快,切主泵的危害則更大一些,同時,先切主泵也可以用來驗證CCP 發(fā)出的指令是不是正確的。

        (2)“主泵壓差故障”是一直執(zhí)行切主泵的指令直到故障消失還是切換一次系統(tǒng)切換一次主泵后閉鎖“主泵壓差故障”執(zhí)行指令邏輯?當出現(xiàn)“主泵壓差故障”時,應該執(zhí)行切主泵的指令,但如果切換后仍然存在故障繼續(xù)切泵,會導致有一段時間兩個主泵都不在運行狀態(tài),主循環(huán)水流量會降低跳閘,最終導致該極閉鎖。為避免此現(xiàn)象,在切換完系統(tǒng)后若存在故障,則進行切主泵,如果切換主泵后故障仍然存在,則閉鎖“主泵壓差故障”執(zhí)行切主泵的邏輯命令。

        5 結語

        通過本次故障檢修和處理過程,對閥水冷系統(tǒng)的整體結構、設備組成、控制保護系統(tǒng)的結構和功能有了進一步了解,特別是水冷控制保護的故障判別邏輯,在故障處理過程中判斷出可能導致故障產生的各種原因,將故障范圍一步步縮小,直到最終定位。本次對換流站換流閥水冷系統(tǒng)的分析和判斷有利于水冷系統(tǒng)和整個換流站更加安全穩(wěn)定地運行,也為今后直流檢修提供了一些現(xiàn)場檢修的思路,提高特高壓直流控保系統(tǒng)檢修的效率和準確度。

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