換流站閥冷系統(tǒng)輕微漏水檢測方法研究

賴皓， 李靖翔， 梁天明

(中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州　510405)

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換流站閥冷系統(tǒng)輕微漏水檢測方法研究

賴皓， 李靖翔， 梁天明

(中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州510405)

閥冷系統(tǒng)漏水檢測是通過監(jiān)測膨脹水箱水位來實現(xiàn)。目前，漏水告警定值是假設(shè)于閥冷系統(tǒng)有較嚴(yán)重的漏水，而對于水量緩慢減少的情況無法有效進(jìn)行檢測。通過研究換流站閥冷系統(tǒng)內(nèi)冷水管路結(jié)構(gòu)特點，分析影響膨脹水箱水位的主要因素，結(jié)合實際運行的內(nèi)冷水管路參數(shù)，提出有效檢測內(nèi)冷水水位的方法。

高壓直流；閥冷系統(tǒng)；漏水；監(jiān)測與故障診斷

0　引　言

閥冷系統(tǒng)是高壓直流輸電系統(tǒng)中重要的輔助部分，它將閥體上各元件的功耗發(fā)熱量排放到閥廳外，保證晶閘管運行結(jié)溫在正常范圍內(nèi)[1]。根據(jù)南方電網(wǎng)各直流系統(tǒng)閥冷系統(tǒng)運行情況分析，輕微漏水的故障占多數(shù)，而且對設(shè)備危害也非常大。水量緩慢減少的情況目前是無法反映在工作站直觀的界面上或依靠控制系統(tǒng)進(jìn)行檢測[2]，因此提出一種有效檢測內(nèi)冷水輕微漏水的方法。

1　閥冷系統(tǒng)漏水檢測功能概述

1.1閥冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

直流輸電系統(tǒng)雙極各配備一套閥冷系統(tǒng)，每一套閥冷系統(tǒng)可分為內(nèi)冷水系統(tǒng)和外冷水系統(tǒng)兩個部分，其中內(nèi)冷水系統(tǒng)為密閉式循環(huán)水系統(tǒng)，由主循環(huán)泵、主過濾器、膨脹水箱、冷卻塔、換流閥眾多水冷管道等組成，其主要功能是將換流閥上各元件的功耗發(fā)熱量排放到閥廳外，保證晶閘管運行結(jié)溫在正常范圍內(nèi)，確保其可靠運行[3]。單極閥冷內(nèi)冷水系統(tǒng)簡圖如圖1所示。

圖1　單極閥冷內(nèi)冷水系統(tǒng)圖

1.2現(xiàn)有漏水檢測邏輯

膨脹水箱為敞開式水箱，用于監(jiān)測內(nèi)冷水管路水位和控制補水泵對內(nèi)冷水系統(tǒng)補水，同時用于補償溫差引起的水體積變化，并對內(nèi)冷水系統(tǒng)的少量滲漏水進(jìn)行補充。膨脹水箱配備了水位傳感器，通過膨脹水箱的水位來檢測內(nèi)冷水水量。膨脹水箱水位低于45%時，補水泵自動啟動進(jìn)行補水；水位低于20%時，系統(tǒng)發(fā)膨脹水箱水位低告警；水位低于10%時，主循環(huán)泵自動停運，直流輸電系統(tǒng)相應(yīng)極停運。

按照目前的規(guī)程，發(fā)生下列情況之一閥冷系統(tǒng)認(rèn)為內(nèi)冷水管路存在漏水現(xiàn)象，閥冷系統(tǒng)向極控發(fā)出漏水告警信號：(1) 10 s內(nèi)膨脹水箱水位下降2%；(2) 補水泵持續(xù)運行達(dá)2 h；(3) 補水泵在24 h內(nèi)啟動兩次[4]。由此可以看出，相關(guān)定值的設(shè)定是假設(shè)于閥冷系統(tǒng)有較嚴(yán)重的漏水[5]。

1.3歷年閥冷系統(tǒng)漏水情況

2008年至今，南方電網(wǎng)超高壓公司廣州局所轄各站共出現(xiàn)閥冷系統(tǒng)漏水缺陷11起。經(jīng)過對這些缺陷的分析和梳理，得出目前主要導(dǎo)致閥廳內(nèi)冷水泄漏故障的原因主要有以下四種：(1) 內(nèi)冷水小水管磨損；(2) 密封圈失效；(3) 均壓電極線發(fā)熱導(dǎo)致的管路損壞；(4) 主泵軸承漏水[6]。

閥內(nèi)冷水管道較長，尤其是水流經(jīng)換流閥時分成了很多細(xì)小的管道，且接口眾多，在長期運行過程中，很容易出現(xiàn)漏水的現(xiàn)象。根據(jù)目前的運行數(shù)據(jù)來看，輕微漏水的故障占多數(shù)，且大多數(shù)漏水地點在換流閥處，對設(shè)備的危害非常大。此外，由于換流閥溫度高，細(xì)微漏水很容易被蒸干，使得漏水點不容易發(fā)現(xiàn)[7]。

2　影響膨脹水箱水位因素分析

2.1內(nèi)冷水管路水分布情況

內(nèi)冷水管路的水根據(jù)溫度的不同，可以分為流入換流閥的水和從換流閥流出的水。設(shè)換流閥進(jìn)水體積為Vin，換流閥出水體積為Vout，內(nèi)冷水管路容量為Vn，內(nèi)冷水總體積為V，由于內(nèi)冷水管路容量Vn為一個固定值，膨脹水箱水體積VL=Vin+Vout-Vn[8]。

2.2主要影響因素析

根據(jù)水的熱膨脹特性，隨著內(nèi)冷水進(jìn)水溫度Tin和內(nèi)冷水出水溫度Tout的升高，內(nèi)冷水總體積V增大。內(nèi)冷水進(jìn)水管道與膨脹水箱物理距離較遠(yuǎn)，在閥冷控制系統(tǒng)中，內(nèi)冷水進(jìn)水溫度Tin被整定為40℃，只有夏季環(huán)境高溫的時間段，內(nèi)冷水進(jìn)水溫度Tin偶爾會稍微超過40℃，而且內(nèi)冷水進(jìn)水管道容量固定，可以將內(nèi)冷水進(jìn)水體積Vin近似視為一個固定值。內(nèi)冷水出水管道與膨脹水箱物理距離較近，而且內(nèi)冷水出水溫度傳感器B105位于膨脹水箱附近[9]，因此內(nèi)冷水總體積V主要受內(nèi)冷水出水溫度Tout影響。膨脹水箱水量VL可簡化表示為VL=Vout+C，C近似為一個固定的數(shù)值。

2.3標(biāo)準(zhǔn)溫度下的膨脹水箱水量換算

已知水膨脹系數(shù)α與水溫T的關(guān)系為α=f(T)，設(shè)標(biāo)準(zhǔn)溫度T0下的水體積為V0，則溫度T下的水體積VT=(1+α)V0。代入VL=Vout+C可以得到：

(1)

VL0=Vout0+C

(2)

將公式(2)代入公式(1)，得到：

(3)

實際中閥冷系統(tǒng)監(jiān)測的是膨脹水箱水位L，由于膨脹水箱底部面積S不變，因此有：

(4)

由于內(nèi)冷水進(jìn)水管路容量和內(nèi)冷水管路水體積近似為固定值，在任意一種工況下，C/S近似為一個固定值。設(shè)標(biāo)準(zhǔn)溫度T0=4 ℃，查詢水熱膨脹系數(shù)表可以得到對應(yīng)溫度下的熱膨脹系數(shù)α，通過實際運行數(shù)據(jù)可以計算出C/S的數(shù)值。已知溫度T下的膨脹水箱水位LT，便能換算至標(biāo)準(zhǔn)溫度T0的膨脹水箱水量L0，從而補償溫度變化對膨脹水箱水量的影響。

3　基于溫度補償?shù)膯螛O閥冷輕微漏水檢測

3.1C/S常數(shù)計算

設(shè)內(nèi)冷水管路水體積不變(未發(fā)生漏水)，因此標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)膨脹水箱水位值L0不變，可以得到：

(5)

以500 kV寶安換流站為例，通過實際運行膨脹水箱水位及內(nèi)冷水出水溫度數(shù)據(jù)，可以計算出C/S的數(shù)值(如表1所示)。

表1　C/S常數(shù)計算

L0誤差計算公式如下：

(6)

3.2檢測原理

利用經(jīng)驗公式(4)，可以將溫度T下的閥冷系統(tǒng)膨脹水箱水位LT換算得到T0溫度下的標(biāo)準(zhǔn)膨脹水箱水位值L0。設(shè)t0時刻的標(biāo)準(zhǔn)溫度膨脹水箱水位為L00，t時刻標(biāo)準(zhǔn)溫度膨脹水箱水位為L0t，將L00其儲存在一個寄存器中，寄存器延時t進(jìn)行輸出L0t。

(7)

由于α值很小，可近似表示為:

(8)

3.3仿真計算

利用MATLAB軟件進(jìn)行仿真試驗，構(gòu)建仿真邏輯電路如圖2所示。取C/S=-2 350，L00=33.4，K=4，假設(shè)內(nèi)冷水系統(tǒng)出現(xiàn)輕微漏水，輸入實際運行數(shù)據(jù)得到表2的結(jié)果。

圖2　單極輕微漏水檢測邏輯

可以看出，當(dāng)內(nèi)冷水管路出現(xiàn)輕微漏水現(xiàn)象時，隨著內(nèi)冷水溫度出水溫度的升高，膨脹水箱水位仍然會有所上升。但是，漏水發(fā)生后標(biāo)準(zhǔn)溫度下的膨脹水箱水位出現(xiàn)了明顯下降趨勢，當(dāng)下降到達(dá)一定程度時，檢測邏輯將判斷內(nèi)冷水管路發(fā)生漏水，向運行人員發(fā)送告警信號。

表2　仿真分析結(jié)果

4　基于雙極膨脹水箱水位差的輕微漏水輕微檢測

4.1檢測原理

由于雙極閥冷系統(tǒng)配置相同，在同一工況下，冷卻能力相同，雙極的內(nèi)冷水出水溫度Tout近似相等[10]。設(shè)極1和極2的標(biāo)準(zhǔn)溫度膨脹水箱水位分別為L10和L20，ΔL標(biāo)準(zhǔn)溫度雙極膨脹水箱水位差。

(9)

由公式(9)可知，通過對L10和L20作差，可以將內(nèi)冷水管道內(nèi)部水的影響消除。已知溫度T下雙極膨脹水箱水位差ΔLT，不需要計算C/S的值即可求出ΔL0。當(dāng)某一極出現(xiàn)漏水時，膨脹水箱水位差ΔL0將會增大。

4.2仿真計算

圖3　雙極輕微漏水檢測邏輯

可以看出，當(dāng)內(nèi)冷水管路出現(xiàn)輕微漏水現(xiàn)象時，標(biāo)準(zhǔn)膨脹水箱水位差會逐漸增大，當(dāng)增大到定值時，判斷某一極內(nèi)冷水管路發(fā)生漏水，向運行人員發(fā)送告警信號。

4.3雙極綜合檢測邏輯

如圖4所示，為了提高檢測的可靠性，將單極檢測和雙極檢測綜合起來，當(dāng)同時檢測出某一極出現(xiàn)漏水且雙極膨脹水箱水位偏差過大時，發(fā)該極的內(nèi)冷水漏水告警信號。在單極停運的情況下，內(nèi)冷水溫度下降會使該極膨脹水箱水位大幅下降，為排除該因素的影響，在與門前加入對應(yīng)的極解鎖信號，閉鎖停運極漏水檢測功能；同時，由于雙極膨脹水箱水位差的增大，相當(dāng)于旁路了雙極膨脹水箱水位差漏水檢測功能，使得運行極仍然可以通過單極判據(jù)檢測閥冷的漏水情況。綜合檢測邏輯適用于直流輸電系統(tǒng)的多種運行方式，在雙極平衡運行的方式下和在單極運行的方式下，運行極的漏水檢測功能均能夠正常使用。

表3　仿真分析結(jié)果

圖4　輕微漏水雙極綜合檢測邏輯

5　結(jié)束語

對于換流站閥冷系統(tǒng)，可以采用上述方法對內(nèi)冷水緩慢漏水進(jìn)行檢測，與現(xiàn)有的漏水檢測功能相配合，能夠?qū)Ω鞣N類型的漏水故障進(jìn)行有效地識別，當(dāng)出現(xiàn)內(nèi)冷水漏水故障時能夠及時提醒運行人員進(jìn)行處理，避免出現(xiàn)直流系統(tǒng)強迫停運的情況，對接下來高壓直流輸電工程的設(shè)計也有一定的借鑒和參考價值。

[ 1 ] 趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù)[M].北京:中國電力出版社，2004.

[ 2 ] 李愛生，朱韜析. 直流輸電工程中閥水冷監(jiān)控系統(tǒng)的改進(jìn)建議[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,38(16) ：153-156.

[ 3 ] 梁家豪,林睿,周翔勝.天廣和貴廣直流工程中的閥冷控制系統(tǒng)[J].高電壓技術(shù),2006,32(9)：92-95.

[ 4 ] 夏擁，江一，雷兵，等.±500 kV興安直流輸電工程寶安換流站運行規(guī)程[M].廣州:中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司，2015.

[ 5 ] 夏擁，左干清，吳畏，等.高壓直流閥冷系統(tǒng)漏水檢測功能的改進(jìn)[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2009，3(4)：53-55.

[ 6 ] 蔡國準(zhǔn).廣州局所轄各站閥冷系統(tǒng)漏水缺陷分析報告[R]. 廣州:中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司，2015.

[ 7 ] 李愛生,朱韜析.直流輸電工程中閥水冷監(jiān)控系統(tǒng)的改進(jìn)建議[J] .電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(16)：153-156.

[ 8 ] 歐陽震，王苗.漏水檢測在超高壓直流換流站閥冷系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].硅谷，2012，11(1)：166-167.

[ 9 ] 西門子.寶安換流站閥冷維護(hù)手冊[K].北京：西門子，2006.

[10] 洪樂洲，江一，翁洪志,等.換流站閥冷系統(tǒng)設(shè)計缺陷與改進(jìn)措施[J] .南方電網(wǎng)技術(shù)，2013,7(1):44-46.

A Study on Slight Leakage Detection Methods for the Valve Cooling System at the Convertor Station

LAI Hao, LI Jing-xiang, LIANG Tian-ming

(Guangzhou Bureau, China Southern Power Grid EHV Power Transmission Co., Guangzhou Guangdong 510405, China)

Leakage detection for the valve cooling system is realized by monitoring the water level in the expansion tank. Leakage alarm valuing, currently based on the assumption of quite serious leakage in the valve cooling system, cannot detect slow decrease of water volume effectively. This paper discusses the structural features of the internal cooling water pipeline of the valve cooling system at the convertor station, analyzes main factors affecting the water level of the expansion tank, and under consideration of the parameters of internal cooling water pipelines in actual operation proposes a method that can effectively monitor the level of the internal cooling water.

HVDC;valve cooling system; leakage;monitoring and fault diagnosis

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.01.034

TP271+.3

A

1000-3886(2016)01-0106-03

賴皓(1988-)，男，廣西人，助理工程師，本科，從事高壓直流輸電系統(tǒng)運行和研究工作。李靖翔(1983-)，男，湖北人，工程師，本科，從事高壓直流輸電系統(tǒng)運行和研究工作。梁天明(1984-)，男，河北人，工程師，本科，從事高壓直流輸電系統(tǒng)運行和研究工作。

定稿日期: 2015-08-20