高壓直流換流站常見故障及其對(duì)策

張國棟

摘要：高壓直流（HVDC）輸電以其在長距離大容量輸電、海底電纜輸電和非同步聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)而得到了廣泛應(yīng)用，目前世界范圍內(nèi)已投運(yùn)了100多個(gè)直流輸電工程。直流投運(yùn)以來基本上在大負(fù)荷方式下運(yùn)行，總體運(yùn)行情況良好，主設(shè)備性能穩(wěn)定，控制與保護(hù)及輔助系統(tǒng)比較可靠，為西電東送發(fā)揮了重要而積極的作用。但運(yùn)行中不斷暴露軟、硬件缺陷，也發(fā)生了多起因直流設(shè)備故障引起的閉鎖和強(qiáng)迫停運(yùn)事件，直接影響直流輸電可用率，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致設(shè)備損壞、直流閉鎖、電網(wǎng)失穩(wěn)甚至局部崩潰。

關(guān)鍵詞：高壓直流輸電；換流站；設(shè)備故障

中圖分類號(hào)：TM72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

通常將整個(gè)高壓直流輸電系統(tǒng)當(dāng)中，為了實(shí)現(xiàn)交流電與直流電轉(zhuǎn)化，同時(shí)確保電力系統(tǒng)所提供電能質(zhì)量安全可靠的站點(diǎn)定義為換流站。當(dāng)前我國電網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)中的換流站設(shè)備數(shù)量不斷提升，為了做好換流站的安全保護(hù)工作，就需要對(duì)各種常見的設(shè)備故障問題加以全面分析，研究相應(yīng)的防護(hù)措施，做到有備無患，從而提高其運(yùn)行質(zhì)量。

1 換流站的主要設(shè)備

高壓直流輸電（HVDC）系統(tǒng)中，換流站是實(shí)現(xiàn)交流電和直流電相互能量轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)，是直流輸電的中心環(huán)節(jié)，是聯(lián)絡(luò)交流電力系統(tǒng)和直流輸電的樞紐。換流站主設(shè)備包括直流場(chǎng)設(shè)備和交流場(chǎng)設(shè)備，直流場(chǎng)設(shè)備是主要部分，包括換流變壓器、換流閥、平波電抗器、無功補(bǔ)償設(shè)備、直流保護(hù)控制系統(tǒng)等。在換流站主設(shè)備中，換流變壓器、換流閥、直流控制保護(hù)系統(tǒng)是主要設(shè)備，輔助設(shè)備包括站用電、消防、尋呼及監(jiān)視等系統(tǒng)。兩端換流站由交流部分和高壓直流組成，并通過直流線路相連。其中，柴達(dá)木換流變電站的330kV交流場(chǎng)為一個(gè)半斷路器接線，共13串，與高壓直流相關(guān)的設(shè)備主要有交濾波器組，換流變壓器和交流PLC濾波器等。400kV直流場(chǎng)按可實(shí)現(xiàn)單極大地返回，單極金屬返回、單極雙導(dǎo)線并聯(lián)運(yùn)行及雙極運(yùn)行等四種運(yùn)行方式進(jìn)行配置，主要設(shè)備有平波電抗器、復(fù)合型光TA/TV、直流濾波器及直流開關(guān)等。

2 換流站直流設(shè)備存在的常見故障

2.1 換流閥設(shè)備故障

國內(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)失誤或安裝工藝問題，往往會(huì)造成換流閥閉鎖，直流停運(yùn)的嚴(yán)重后果。

2.2 其他常見故障

①水冷卻系統(tǒng)故障。主要由內(nèi)冷水壓力、電導(dǎo)率、溫度和控制系統(tǒng)故障等原因造成。在天生橋換流站，水冷卻系統(tǒng)故障多為閥塔均壓電極的水冷卻密封圈漏水和內(nèi)冷水壓力異常引起。②直流控制、保護(hù)系統(tǒng)故障。直流的保護(hù)和控制系統(tǒng)多為雙重化配置，當(dāng)兩套系統(tǒng)同時(shí)故障或失電時(shí)將引起直流的雙極閉鎖。在天生橋站，此類障礙中以直流極控系統(tǒng)SIMADYND的插件故障引起兩套系統(tǒng)切換不成功引起直流閉鎖居多。③交流電壓異常造成直流閉鎖。在直流的極控保護(hù)中，當(dāng)檢測(cè)到換流變側(cè)的交流電壓低于或高于額定30%均會(huì)引起直流系統(tǒng)的雙極閉鎖。④站用電故障引起直流系統(tǒng)跳閘。在切換站用電時(shí)，切換不成功引起兩套直流保護(hù)失電或閥冷卻系統(tǒng)主泵失電，將引起直流跳閘。⑤無功不足造成輸電受限。由于交、直流濾波器為直流輸電提供無功補(bǔ)償，當(dāng)交、直流濾波器故障，引起無功缺少，將直接影響直流的功率傳輸。⑥兩套局域網(wǎng)或光纖環(huán)網(wǎng)同時(shí)故障，造成直流站控系統(tǒng)無法獲取數(shù)據(jù)，引發(fā)雙極閉鎖。

3 故障的解決措施

3.1 水冷卻系統(tǒng)

①針對(duì)閥塔設(shè)備漏水引起強(qiáng)迫停運(yùn)，在直流停電檢修期間，拆除雙極閥塔所有匯流管與小水管用純凈水清洗，沖洗進(jìn)入內(nèi)冷水系統(tǒng)的環(huán)氧樹脂粉，防止密封墊圈被腐蝕。②每周對(duì)閥塔設(shè)備進(jìn)行紅外線巡視至少一次。巡視重點(diǎn)為陽極電抗器、電阻器、TE板等設(shè)備有無發(fā)熱。③在直流系統(tǒng)停電期間，若時(shí)間允許應(yīng)進(jìn)入閥廳檢查均壓電極密封墊圈和水冷阻尼電阻的水管接頭，發(fā)現(xiàn)腐蝕墊圈、水管接頭被堵塞應(yīng)立即處理。停電檢查2月一次為宜。④針對(duì)管道有氣泡引起壓力異常造成多次強(qiáng)迫停運(yùn)，在補(bǔ)充內(nèi)冷水時(shí)必須按規(guī)程操作，補(bǔ)充合格的純凈水，并進(jìn)行多次管道排氣。補(bǔ)水完畢后靜置24h后方可啟動(dòng)直流系統(tǒng)。

3.2 直流控制、保護(hù)系統(tǒng)

①正常情況下，極控系統(tǒng)應(yīng)始終保持在自動(dòng)切換狀態(tài)，直流極控和站控系統(tǒng)必須確保雙套系統(tǒng)（主運(yùn)和備用）均正常。②每天巡視極控和直流保護(hù)系統(tǒng)，出現(xiàn)插件告警立即申請(qǐng)?zhí)幚?。③在極1、極2運(yùn)行期間，禁止在交流進(jìn)線開關(guān)和換流變進(jìn)線的TA回路上工作。④加強(qiáng)極控系統(tǒng)備品插件的管理，確保重要插件備品充裕。發(fā)現(xiàn)極控系統(tǒng)的SIMANDYND電源插件故障，檢查相應(yīng)的極控系統(tǒng)已在備用狀態(tài)，事故處理完畢后將極控系統(tǒng)的切換方式設(shè)置為自動(dòng)。

3.3 站用設(shè)備防護(hù)

第一，對(duì)于換流站運(yùn)行系統(tǒng)當(dāng)中如閥冷卻系統(tǒng)以及換流變冷卻系統(tǒng)等一類關(guān)鍵性的系統(tǒng)而言，由于其負(fù)荷水平會(huì)直接對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行安全性產(chǎn)生影響，因此，需要確保其分別對(duì)應(yīng)有兩路完全獨(dú)立的電源完成供電任務(wù)。假如在實(shí)際工作中任意電源出現(xiàn)故障，則需要及時(shí)在兩路供電電源中進(jìn)行倒換，使系統(tǒng)始終對(duì)應(yīng)有兩路電源完成供電工作。第二，若換流站運(yùn)行期間發(fā)生站用直流系統(tǒng)接地告警的問題，需要工作人員及時(shí)對(duì)其進(jìn)行檢查，找準(zhǔn)發(fā)生問題的部分，并及時(shí)加以處置?？紤]到戶外端子箱在外部環(huán)境濕度較高的情況下容易發(fā)生受潮問題，因此需通過加大巡檢頻率的方式，避免戶外端子箱因受潮而出現(xiàn)直流接地的故障。第三，需要對(duì)換流站站用設(shè)備所使用的UPS電源進(jìn)行全面監(jiān)督控制，確保其供電的不間斷性。

3.4 防范交流電壓異常引起直流側(cè)事故

①直流運(yùn)行期間，禁止在換流變進(jìn)線的TV回路工作。②直流停電期間，檢查直流極控的交流電壓和交流電流回路，緊固相應(yīng)的端子，防止端子松動(dòng)。③若交流側(cè)輸電線路跳閘，應(yīng)盡量避免在換流站側(cè)對(duì)線路充電，避免因電壓沖擊導(dǎo)致?lián)Q流變側(cè)電壓波動(dòng)。④若換流變進(jìn)線引自3/2接線的出線，則換流變所在的串嚴(yán)防解環(huán)運(yùn)行。⑤加強(qiáng)避雷器的日常巡視，防止避雷器故障、雷擊造成換流變過電壓。

3.5 防止直流雙極閉鎖

①確保閥冷卻系統(tǒng)、換流變冷卻系統(tǒng)等重要的負(fù)荷各有兩路完全獨(dú)立的電源供電，任一電源有問題須盡快倒換，確保始終有兩路電源供電。②定期檢查電纜通道，封堵電纜通道孔，防止小動(dòng)物破壞。③出現(xiàn)站用直流系統(tǒng)接地告警，立即檢查并及時(shí)處理。進(jìn)入雨季前，檢查戶外端子箱，防止受潮引起直流接地。④核算站用直流系統(tǒng)各級(jí)熔斷器（空氣開關(guān)），防止熔斷器越級(jí)熔斷。⑤定期檢查蓄電池和充電機(jī)設(shè)備，確保正常運(yùn)行，并對(duì)備用的充電機(jī)定期進(jìn)行輪換試驗(yàn)。⑥加強(qiáng)對(duì)UPS（不間斷電源）的監(jiān)視，確保正常。

綜上所述，分析了高壓直流輸電換流站設(shè)備的常見障礙類型，闡述了直流一次設(shè)備、二次設(shè)備和輔助設(shè)備的故障特點(diǎn)，提出了高壓直流設(shè)備故障的處理和預(yù)防措施。運(yùn)行實(shí)踐表明，該措施切實(shí)有效，可減少設(shè)備事故、提高直流輸電可用率。許多高壓直流輸電核心技術(shù)在我國尚未取得完全突破，還需加大直流輸電運(yùn)行、維護(hù)經(jīng)驗(yàn)的積累交流，探索運(yùn)行規(guī)律并提高維護(hù)水平。

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