直流系統(tǒng)換流閥常見故障及處理方法

湖北省電力公司檢修公司交直流運(yùn)檢中心 劉 　 潯 戴 　 迪 饒洪林 成 　川 艾 　 亮 吳 　 雙

直流系統(tǒng)換流閥常見故障及處理方法

湖北省電力公司檢修公司交直流運(yùn)檢中心 劉 潯 戴 迪 饒洪林 成 川 艾 亮 吳 雙

隨著我國(guó)直流輸電的快速發(fā)展，直流輸電設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化水平進(jìn)一步提高。目前，±500kV常規(guī)直流輸電工程已經(jīng)基本上實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。結(jié)合換流站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和目前閥控系統(tǒng)存在的缺陷與隱患以及直流設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的幾次重大事件，提出改進(jìn)的建議，希望能夠?yàn)閲?guó)內(nèi)換流閥設(shè)備的運(yùn)行、維護(hù)提供參考依據(jù)。

高壓直流；換流閥；閥控；故障

1　 引言

隨著高壓直流輸電技術(shù)的快速發(fā)展和高壓直流換流站的不斷建設(shè)，國(guó)產(chǎn)化技術(shù)和設(shè)備得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，目前，核心技術(shù)的換流閥設(shè)備已經(jīng)逐步實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。國(guó)家電網(wǎng)公司主要采用的是ABB公司的換流閥技術(shù)，如三常、三廣、三上工程。在后期的直流工程，如寧東直流工程等，逐漸開始采用AREVA、SIMENS公司的換流閥技術(shù)。這幾種換流閥技術(shù)基本已被國(guó)內(nèi)廠家吸收和轉(zhuǎn)換，現(xiàn)在新建工程基本生產(chǎn)已基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。通過(guò)多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)原有設(shè)計(jì)的不足和缺陷，是保障直流換流站安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素。

2　 換流閥設(shè)備故障情況分析

國(guó)內(nèi)換流站使用換流閥均采用懸吊式閥塔和水冷卻結(jié)構(gòu)。每個(gè)閥塔有多個(gè)閥層組成，閥層內(nèi)串連若干組晶閘管級(jí)。各廠家的換流閥結(jié)構(gòu)、元件基本相似，有內(nèi)部布局各有不同。有統(tǒng)計(jì)資料表明，換流閥設(shè)備故障率較低，年平均故障率為1.3次/年，需停電處理的故障率為0.21次/年。換流閥設(shè)備的停電故障多出現(xiàn)在新設(shè)備投運(yùn)的前兩年中，以后逐漸平穩(wěn)，在運(yùn)行超過(guò)10年后故障率會(huì)逐漸升高。部分設(shè)計(jì)失誤或安裝工藝問(wèn)題，往往會(huì)造成換流閥閉鎖，直流停運(yùn)的嚴(yán)重后果。

根據(jù)運(yùn)行情況，故障類型、故障原因統(tǒng)計(jì)如下圖所示：

2.1 閥控設(shè)備故障分析

閥控設(shè)備是HVDC分層控制的主要核心之一。其主要目標(biāo)是將極控系統(tǒng)的控制脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的電控制脈沖（CP）轉(zhuǎn)變?yōu)楣獾挠|發(fā)脈沖（FP）去觸發(fā)單閥，實(shí)現(xiàn)整流或逆變功能。同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)閥體本運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視功能。出現(xiàn)的故障多為元件故障。

2．1．1 閥控裝置異常

2005年6月，葛洲壩換流站極Ⅱ極控A系統(tǒng)檢測(cè)到觸發(fā)脈沖丟失系統(tǒng)切換到極控B，極控B也檢測(cè)到觸發(fā)脈沖丟失，觸發(fā)脈沖異常保護(hù)啟動(dòng)跳閘命令，極Ⅱ直流系統(tǒng)閉鎖。故障原因?yàn)槟先鹄^保生產(chǎn)的極控系統(tǒng)與閥控VBE系統(tǒng)接口裝置RCS9515工作電源不穩(wěn)定導(dǎo)致觸發(fā)脈沖無(wú)法發(fā)送到VBE。

2．1．2 閥控通訊接口工作異常

寧東直流閥控信息送后臺(tái)時(shí)需要通過(guò)RS232串口轉(zhuǎn)為光纖，且通訊環(huán)節(jié)過(guò)多，接口各不相同。在調(diào)試時(shí)期發(fā)現(xiàn)運(yùn)行過(guò)程中傳送信號(hào)的扁平線受強(qiáng)磁場(chǎng)干擾出現(xiàn)誤發(fā)信號(hào)的現(xiàn)象，給直流運(yùn)行帶來(lái)極大危害。

2011年7月，靈寶換流站后臺(tái)報(bào)“單元Ⅱ單閥PSU單元（門極單元電源）故障達(dá)2個(gè)”報(bào)警。閥故障產(chǎn)生后，北京四方監(jiān)控后臺(tái)漏報(bào)了部分事件，導(dǎo)致無(wú)法對(duì)故障晶閘管進(jìn)行準(zhǔn)確定位，對(duì)單閥所有晶閘管進(jìn)行測(cè)試后才找到故障點(diǎn)。

2．1．3 閥控單元設(shè)計(jì)缺陷

高嶺換流站在隱患排查中發(fā)現(xiàn)，閥控單元VBE檢查到換流閥存在報(bào)警事件時(shí)，需要現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員按下插件上的故障確認(rèn)按鈕進(jìn)行復(fù)位。不確認(rèn)則系統(tǒng)仍判故障故障存在。當(dāng)產(chǎn)生在不同位置的瞬時(shí)性故障數(shù)量達(dá)到系統(tǒng)跳閘條件時(shí)，VBE會(huì)發(fā)出跳閘命令。

2.2 閥本體設(shè)備故障分析

閥本體主要由串聯(lián)的晶閘管級(jí)、光纖回路和冷卻水回路組成。閥本體作為換流站核心設(shè)備，長(zhǎng)期處在高壓運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重的故障時(shí)，需直流停電處理。閥本體本身造價(jià)高昂，占換流站總價(jià)的1/4，所以閥本體的穩(wěn)定運(yùn)行極為重要。

2．2．1 閥本體元件故障

2008年12月葛洲壩換流站極Ⅱ直流系統(tǒng)在額定功率運(yùn)行過(guò)程中，極Ⅱ換流閥保護(hù)Y橋差動(dòng)保護(hù)Ⅲ段動(dòng)作，極Ⅱ直流系統(tǒng)閉鎖。隨后通過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)，極Ⅱ換流閥C相閥塔V22閥被整閥擊穿，此外還有多個(gè)晶閘管被擊穿損壞。該故障是由于晶閘管的老化（運(yùn)行超過(guò)19年），晶閘管電耐壓能力降低和漏電流增加造成的。

2．2．2 閥本體安裝工藝不佳

2008年2月，靈寶換流站220kV側(cè)LTT閥冷卻系統(tǒng)膨脹罐液位超低保護(hù)動(dòng)作跳閘，靈寶背靠背直流系統(tǒng)閉鎖。檢查發(fā)現(xiàn)220kV LTT閥第二層閥塔電抗器元件上小水管接口脫落。對(duì)更換下的小水管與正常水管對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)脫落水管上無(wú)明顯卡痕，接頭上雙戒指卡箍安裝時(shí)沒(méi)有突出部分，接頭無(wú)法卡緊。

2．2．3 閥體本內(nèi)部放電

2008年江陵站對(duì)極Ⅱ閥塔進(jìn)行常規(guī)檢修試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)閥塔內(nèi)部光纖密封盒發(fā)現(xiàn)多根光纖外皮脫落，固定金屬塊和阻燃包上有明顯放電痕跡。原因?yàn)楣饫w槽盒內(nèi)阻燃包安放在槽盒固定金屬塊附近，在高壓運(yùn)行環(huán)境下兩者之間出現(xiàn)了放電。

2．2．4 閥塔內(nèi)水管漏水

2010年10月南橋換流站極Ⅰ換流閥D橋差動(dòng)保護(hù)IV段動(dòng)作?，F(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)極1閥廳A相內(nèi)冷水漏水，登上閥塔后檢查發(fā)現(xiàn)極1 A相右側(cè)閥塔第2層陽(yáng)極電抗器水冷電阻水管接頭斷裂，該接頭有明顯受熱熔化痕跡，水冷電阻支架有燒焦痕跡。

3　 換流閥設(shè)備常見故障檢查處理方法

3.1 閥控設(shè)備故障處理

閥控設(shè)備的故障主要是元件故障和通訊接口故障造成的。這要求閥控系統(tǒng)本身要具備完善的自檢能力。根據(jù)后臺(tái)報(bào)文的內(nèi)容準(zhǔn)確定位，判斷故障是出在閥控系統(tǒng)還是閥本體元件，處理時(shí)應(yīng)注意閥控系統(tǒng)多數(shù)元件為單一配置，更換前應(yīng)先申請(qǐng)停電，避免在工作過(guò)程中造成直流閉鎖事故。

針對(duì)閥控設(shè)備的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤應(yīng)按照隱患排查要求，早發(fā)現(xiàn)早治理。主要是針對(duì)閥控與極控不是同一技術(shù)路線的情況（如林楓直流工程和靈寶二期工程引入了AREVA的換流閥及控制系統(tǒng)，而極控系統(tǒng)是許繼電氣公司引進(jìn)的Siemens技術(shù)），應(yīng)全面檢查極控、閥控、閥本體之間的接口設(shè)計(jì)和保護(hù)回路設(shè)計(jì)是否可靠、完整，是否滿足兩套冗余設(shè)計(jì)。

3.2 閥本體故障檢查處理

閥本體故障主要是由于閥塔內(nèi)元件故障或漏水、放電導(dǎo)致的嚴(yán)重故障。閥塔內(nèi)元件冗余量較大，一般單閥內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)元件故障無(wú)需立即停電處理。主要是通過(guò)專用測(cè)試儀對(duì)單個(gè)晶閘管級(jí)進(jìn)行正反耐壓、保護(hù)功能測(cè)試來(lái)判斷故障元件。

水管漏水主要是由于閥塔內(nèi)振動(dòng)過(guò)大或水管接口設(shè)計(jì)不合理造成的。應(yīng)定期檢查水管接頭力矩，水管靠在構(gòu)架上的應(yīng)做好接觸面的保護(hù)措施，減少振動(dòng)和摩擦。而出現(xiàn)漏水現(xiàn)象時(shí)可能造成閥塔內(nèi)部短路，擊穿大量晶閘管，對(duì)閥本體造成極大的破壞。所以出現(xiàn)漏水后應(yīng)及時(shí)停運(yùn)，防止故障擴(kuò)大。在對(duì)水回路進(jìn)行檢修時(shí)應(yīng)考慮閥塔水管排水、排氣、接口密封，閥塔元件防潮，冷卻水電導(dǎo)率控制等問(wèn)題。

放電現(xiàn)象主要是由于安裝工藝不到位造成的。在大修期間應(yīng)對(duì)電氣接頭和可能出現(xiàn)高壓放電的金屬部分進(jìn)行檢查。各類金屬構(gòu)架等應(yīng)安裝有等位線，以保證塔內(nèi)電場(chǎng)分布均勻。在出現(xiàn)放電現(xiàn)象后閥廳內(nèi)部的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)能快速報(bào)警。當(dāng)極早期煙霧探測(cè)器與紫外探頭同時(shí)動(dòng)作時(shí)應(yīng)能及時(shí)發(fā)出直流停運(yùn)的指令，保證閥塔安全。閥塔內(nèi)雖安裝有防火板，內(nèi)部均采用阻燃材料，但部分電器元件仍有放電起火的可能。在有較大的明火時(shí)應(yīng)采用窒息法關(guān)閉閥廳空調(diào)和所有風(fēng)擋。確認(rèn)明火熄滅后方可打開大門，防止火焰復(fù)燃。

4　 換流閥及閥控制設(shè)備的改進(jìn)建議

目前直流控制保護(hù)系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，南瑞繼保、許繼電氣和北京四方公司均掌握了直流控制保護(hù)的核心技術(shù)。國(guó)內(nèi)換流閥一般由西電集團(tuán)、電科院、許繼電氣生產(chǎn)。不同技術(shù)路線的設(shè)備相互通訊與接口存在一些問(wèn)題。同時(shí)不同廠家的換流閥在元件布局上有著較大的差異，也各有特點(diǎn)。在此提出幾點(diǎn)建議，希望能對(duì)直流換流站的安全穩(wěn)定運(yùn)行和日常運(yùn)行維護(hù)工作起到一定的作用。

4.1 閥控與極控硬件接口統(tǒng)一

目前在運(yùn)的國(guó)產(chǎn)化設(shè)備，直流控制保護(hù)系統(tǒng)和閥控系統(tǒng)接口不統(tǒng)一，如靈寶、高嶺背靠背換流站，直流控保與閥控系統(tǒng)的接口設(shè)備由許繼電氣、南瑞繼保等直流控保廠家提供；而德寶直流工程中，則由直流控保廠家南瑞繼保和閥控廠家中國(guó)西電集團(tuán)分別生產(chǎn)各自的接口設(shè)備；寧東直流工程由許繼電氣提供接口設(shè)備。由于沒(méi)有統(tǒng)一硬件生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)和要求，涉及到多個(gè)廠家，出現(xiàn)問(wèn)題之后對(duì)原因的查找和分析帶來(lái)了較大的難度，為直流快速恢復(fù)運(yùn)行帶來(lái)了障礙。因此建議接口設(shè)備采用統(tǒng)一的接口和通信規(guī)約，減少信號(hào)傳送的中間環(huán)節(jié)。

4.2 內(nèi)冷水回路可靠

對(duì)于內(nèi)冷水管設(shè)計(jì)應(yīng)采用大管徑，材料絕緣、耐高溫。接頭采用螺母設(shè)計(jì)，緊固力矩較大。各接頭處設(shè)計(jì)密封圈和電極，起到良好的密封和水路電位平衡作用。

每月定期對(duì)GIS設(shè)備氣室SF6氣體壓力進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)壓力有下降趨勢(shì)則對(duì)該氣室進(jìn)行密封性檢查。密封性檢查通常采用聚乙烯塑料布局部包扎積累法測(cè)定，氣密性檢查積累時(shí)間通常取24小時(shí)較為合適。還要結(jié)合經(jīng)常檢查SF6密度繼電器指針位置來(lái)作為密封性的輔助檢查。

4.3 閥本體、閥控設(shè)備元件質(zhì)量過(guò)硬

部分廠家提供的硬件質(zhì)量不合格。新投運(yùn)的寧東直流工程、林楓直流工程以及靈寶背靠背二期工程，運(yùn)行以來(lái)多次發(fā)現(xiàn)存在板卡虛焊、漏焊、電容漏液、針腳彎曲等現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)廠家提升元件質(zhì)量是保證換流閥可靠運(yùn)行的根本。在元件選材上一些廠家仍使用充油電容，當(dāng)元件受沖擊后可能出現(xiàn)放電起火、為閥塔的防火安全上帶來(lái)隱患。建議采用絕緣、阻燃材料，保證設(shè)備安全。

4.4 閥塔本體、閥控設(shè)備設(shè)計(jì)改良

部分廠家在引進(jìn)國(guó)外技術(shù)時(shí)未能較好的避免已有的設(shè)計(jì)缺陷，給穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)隱患。ALSTOM公司VBE設(shè)計(jì)上存在一個(gè)問(wèn)題：如果VBE存在瞬時(shí)故障，需要人為手動(dòng)進(jìn)行復(fù)歸才能使得VBE恢復(fù)正常運(yùn)行。該設(shè)計(jì)理念為故障告警后需得到確認(rèn)，以防止運(yùn)行人員忽略。而實(shí)際上這種設(shè)計(jì)存在系統(tǒng)擾動(dòng)導(dǎo)致引起直流系統(tǒng)閉鎖的風(fēng)險(xiǎn)，建議取消報(bào)警保持功能。晶閘管觸發(fā)板的設(shè)計(jì)上，多家公司采用裸露的電路板，積灰嚴(yán)重，抗電磁干擾差。建議采用金屬封裝方式，可大大提高元件的可靠性。在換流閥塔的設(shè)計(jì)上，部分廠家采用緊湊型設(shè)計(jì)，縮短了閥塔自身的高度，未設(shè)計(jì)防火擋板。但另一方面，由于空間比較狹小，設(shè)備維護(hù)起來(lái)比較吃力，非常不方便。沒(méi)有防火擋板，在出現(xiàn)火災(zāi)時(shí)可能會(huì)蔓延至其他閥層，帶來(lái)更大大的損失。建議廠家對(duì)閥塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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劉?。?981—），男，江西九江人，大學(xué)本科，工程師，供職于國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司特高壓交直流運(yùn)檢中心檢修二次班，任副班長(zhǎng)，從事直流控制保護(hù)系統(tǒng)維護(hù)工作。

戴迪（1983—），男，湖北武漢人，碩士研究生，工程師，供職于國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司特高壓交直流運(yùn)檢中心檢修二次班，技術(shù)專責(zé)，從事直流控制保護(hù)系統(tǒng)維護(hù)工作。

成川（1984—），男，四川成都人，大學(xué)本科，助理工程師，供職于國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司特高壓交直流運(yùn)檢中心檢修二次班，任工作負(fù)責(zé)人，從事直流控制保護(hù)系統(tǒng)維護(hù)工作。

艾亮（1986—），男，湖北武漢人，大學(xué)本科，助理工程師，供職于國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司特高壓交直流運(yùn)檢中心檢修二次班，檢修工，從事直流控制保護(hù)系統(tǒng)維護(hù)工作。

吳雙（1987—），男，湖南湘鄉(xiāng)人，大學(xué)本科，助理工程師，供職于國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司特高壓交直流運(yùn)檢中心檢修二次班，檢修工，從事直流控制保護(hù)系統(tǒng)維護(hù)工作。