換流閥閥塔漏水監(jiān)測的現(xiàn)狀分析及優(yōu)化措施

李洋，謝偉鋒，雷戰(zhàn)斐，韓慧麟，趙慶杰

(國網(wǎng)寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川 750011)

0 引 言

直流換流站是直流輸電工程中直流系統(tǒng)和交流系統(tǒng)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的場所，換流器就是實(shí)現(xiàn)交、直流轉(zhuǎn)換的核心設(shè)備。換流器由換流閥和換流變壓器組成，換流閥在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生熱量，溫度持續(xù)上升會(huì)對其內(nèi)部元件運(yùn)行工況造成影響，因此在換流閥運(yùn)行時(shí)需要對其進(jìn)行有效降溫。目前世界上的換流站對換流閥的降溫多為水冷卻方式，水冷卻系統(tǒng)由多節(jié)PVDF、電抗器金屬管水管連接組成，冷卻水管接頭較多。雖然水冷系統(tǒng)的冷卻能力可以根據(jù)閥進(jìn)水溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是正常工況下閥冷卻系統(tǒng)的水溫還是有較大波動(dòng)的：一方面，直流換流閥內(nèi)部的冷卻水管大多為非金屬水管，晶閘管之間連接的散熱器是鋁制材料，所以無法做到自然均勻散熱；另一方面，直流換流閥的核心組件—晶閘管有交替通流(運(yùn)行)和停止的過程，電流的變化產(chǎn)生熱量導(dǎo)致水溫變化[1]，且通過換流閥的電流不是恒定值，因此冷卻水的溫度相應(yīng)也會(huì)出現(xiàn)巨大溫差。由于冷卻水管與散熱器材料不同，膨脹系數(shù)不同，因此換流閥運(yùn)行時(shí)水溫變化也會(huì)加大換流閥冷卻水管漏水的風(fēng)險(xiǎn)[2]，造成換流閥設(shè)備間放電等異常情況，影響直流系統(tǒng)運(yùn)行安全，甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)閥塔及相鄰閥塔全部燒毀。

1 現(xiàn)狀分析

目前，換流閥閥塔漏水監(jiān)測方式有漏水檢測裝置、膨脹罐液位保護(hù)和微分泄漏保護(hù)監(jiān)測機(jī)制。

1.1 漏水監(jiān)測裝置

換流閥漏水監(jiān)測裝置包括集漏裝置和檢漏裝置。當(dāng)冷卻水發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏的水流入底部屏蔽罩內(nèi)，經(jīng)集漏裝置收集并流入漏水檢測儀的翻斗。當(dāng)翻斗儲(chǔ)水槽水容積達(dá)到預(yù)定值后，重力作用使翻斗翻倒，同時(shí)帶動(dòng)翻轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。漏斗每翻1 次，翻轉(zhuǎn)軸的通光孔與光通道錯(cuò)位，光通道被阻擋，算作1次漏水，在一定時(shí)間內(nèi)記錄不能返回的光脈沖數(shù)作為判斷漏水級別(分為滲漏和泄漏)[3]的依據(jù)。整個(gè)光纖回路通道有兩個(gè)，分別指示一級漏水報(bào)警和二級漏水報(bào)警。在水位計(jì)的側(cè)壁有排水孔，排水孔位于一級報(bào)警水位高度處，換流閥少量漏水，高度達(dá)到一級報(bào)警水位時(shí)會(huì)觸發(fā)一級報(bào)警。如果閥塔漏水嚴(yán)重，進(jìn)水流量大于排水流量，水位計(jì)內(nèi)水位會(huì)繼續(xù)上升達(dá)到二級報(bào)警點(diǎn)， 觸發(fā)二級報(bào)警[4]。一級漏水報(bào)警為一般報(bào)警，用于指示當(dāng)前換流閥閥塔有漏水現(xiàn)象出現(xiàn)；二級漏水報(bào)警為嚴(yán)重故障，用于監(jiān)測閥塔漏水流量。

此種監(jiān)測方式存在兩個(gè)問題：一是由于探頭長期暴露在空氣中，探頭易聚集灰塵遮住反光平面鏡，使得探頭光纜發(fā)出的光無法反射，很容易造成誤報(bào)或漏報(bào)漏水情況；二是該裝置只能監(jiān)測到閥塔設(shè)備及上方的漏水[5]，且漏水剛好匯集到屏蔽罩內(nèi)，若漏水部位不在屏蔽罩上方，則檢測不到漏水。

圖1 漏水監(jiān)測裝置

1.2 膨脹罐(高位水箱)液位保護(hù)

膨脹罐液位保護(hù)設(shè)報(bào)警和跳閘。在閥冷設(shè)備運(yùn)行時(shí)，膨脹罐中水視作內(nèi)冷水系統(tǒng)的水位，控制系統(tǒng)通過監(jiān)視膨脹罐中的液位變化來判斷內(nèi)冷水系統(tǒng)泄漏情況。膨脹罐液位測量低于32%時(shí)發(fā)報(bào)警，低于10%時(shí)發(fā)直流閉鎖命令。膨脹罐裝設(shè)的兩套電容式液位傳感器和1套磁翻板式液位傳感器采用三取二原則出口。

由于膨脹罐中的液位表征的是內(nèi)冷水系統(tǒng)的總水量，而膨脹罐中的液位下降到32%以下時(shí)系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警，此時(shí)內(nèi)冷水系統(tǒng)損失的水量已非常多；因此，膨脹罐液位保護(hù)對內(nèi)冷水系統(tǒng)出現(xiàn)大量漏水時(shí)的監(jiān)測效果顯著，而對于滲水、少量漏水的監(jiān)測及漏水點(diǎn)定位較難實(shí)現(xiàn)。

圖2 膨脹罐液位保護(hù)原理

1.3 微分泄漏保護(hù)

換流閥冷卻水系統(tǒng)在泄漏時(shí)會(huì)發(fā)出預(yù)警，補(bǔ)水泵則會(huì)進(jìn)行相應(yīng)水量的補(bǔ)充，若在設(shè)定時(shí)間內(nèi)補(bǔ)水泵連續(xù)啟動(dòng)N次，則會(huì)發(fā)出泄漏報(bào)警。一方面，微分泄漏保護(hù)定值一般情況下根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來設(shè)置，存在很多不確定性[6]；另一方面，即使現(xiàn)場出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，也不能被精準(zhǔn)地定位到。

綜上，現(xiàn)有應(yīng)用較為廣泛的換流閥閥塔漏水監(jiān)測方式中，無論是采用漏水檢測裝置、膨脹罐液位，還是保護(hù)和微分泄漏保護(hù)，均不能有效地實(shí)時(shí)監(jiān)測漏水和定位漏點(diǎn)[7]。

2 閥塔漏水監(jiān)測定位的優(yōu)化措施

為改善現(xiàn)有的換流閥閥塔漏水監(jiān)測方式存在的不足，提出了閥冷系統(tǒng)水管接頭處增加能夠遇水變色的指示套管，閥塔屏蔽層增加能夠遇水變色的試紙的輔助檢測漏水的方法。

2.1 水管接頭增加遇水變色指示套管

遇水變色指示套管為透明自卷密封管套，由透明的聚烯烴材質(zhì)制成。管壁上沿軸向剖開有一道直線缺口，缺口兩邊的管壁和遇水變色材料層可相互搭接并密閉連接。此種熱縮管一經(jīng)加熱超過70 ℃便可以與水管接頭完成密封[8]，并且在閥塔高電壓、冷卻水高溫環(huán)境下依然性能穩(wěn)定，質(zhì)量可靠。

如圖3所示，透明護(hù)套管套共分為3層：內(nèi)、外層由透明的聚烯烴材質(zhì)制成，中間為遇水變色材料，其中內(nèi)層透明材料上涂有耐高溫強(qiáng)力膠并且護(hù)套上設(shè)有均勻的進(jìn)水縫，透明護(hù)套的兩側(cè)邊緣為密封設(shè)計(jì)。透明護(hù)套可以環(huán)繞粘貼在主水管的法蘭、主管與支管的接頭、支管與器件的接頭等不規(guī)則形狀需求處，操作簡便，結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)用性強(qiáng)。

圖3 遇水變色指示套管

另外透明自卷密封管套高溫密封后，被包圍水管會(huì)被包裹在透明自卷密封管套形成的密閉空間內(nèi)，使管套不受外圍空間的潮氣及其他位置滲漏的干擾[9]，達(dá)到精準(zhǔn)監(jiān)測管套覆蓋處水管漏水的目的。

2.2 閥塔屏蔽層增加漏水檢測變色紙

在閥塔屏蔽層及管道增加漏水檢測變色紙，通過試紙變色可以確定是否發(fā)生漏水故障，并根據(jù)變色的位置確定漏水點(diǎn)的位置[10]，達(dá)到及時(shí)對閥塔漏水位置進(jìn)行定位監(jiān)測的目的。這種漏水檢測變色紙包含4層結(jié)構(gòu)(見圖4)：第一層為顯色層，第二層為覆蓋在顯色層上的染色層，第三層為印刷在染色層上的粘合劑層，第四層為底板層。顯色層為具有吸水特性的木質(zhì)材料或由棉與木組成的高分子復(fù)合材料制成的平面板，其作用為遇水后在其表面顯示出染色層2中的染色劑的顏色。染色層為干性油墨或干式酸性染料，用紅色干性油墨作為染色劑，在遇水時(shí)水分子會(huì)與油墨溶合，并在白色顯色層上顯示出油墨的顏色，達(dá)到顯色的目的[11]，紅色的油墨在白色的顯色層上將會(huì)非常顯眼，易于觀察。粘合劑層為具有耐熱性的硅橡膠基體壓敏膠，使用時(shí)直接貼在閥塔上需要監(jiān)測漏水的位置。底板層為拉辛紙，其與粘合劑層接觸的一面涂有硅油，用于保護(hù)粘合劑層，使用時(shí)撕下底板層即可粘貼[12]。

圖4 漏水檢測變色紙

將漏水檢測試紙貼在換流閥塔屏蔽層后，當(dāng)閥塔內(nèi)冷水管出現(xiàn)微量的漏水，滴在檢測試紙上后油墨遇水變成透明，露出下面染色層試紙的顏色，可以非常靈敏地檢測到閥塔漏水缺陷；同時(shí)根據(jù)試紙變色區(qū)域范圍排查閥塔漏水點(diǎn)的位置，極大地縮短了漏水點(diǎn)查找的時(shí)間，為盡快處理閥塔漏水故障提供先決條件。

3 效果評價(jià)

1)當(dāng)內(nèi)冷水系統(tǒng)水管接頭漏水時(shí)，遇水變色指示套管會(huì)出現(xiàn)明顯變色并保持，運(yùn)維人員可在泄露故障發(fā)生初期便可通過肉眼或攝像頭及時(shí)辨識漏水位置，做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏故障，為故障處理爭取時(shí)間。

2)在換流閥閥塔底部鋪滿漏水檢測變色紙，當(dāng)閥塔出現(xiàn)漏水故障時(shí)，水流遇漏水檢測變色紙馬上變紅[13]。運(yùn)維人員巡視過程中通過檢查紙張變色情況即可判斷出是否出現(xiàn)閥塔漏水故障[13]。

3)漏水檢測變色紙遇水后的顯色過程為物理性變化，整個(gè)過程不產(chǎn)生任何氣體，熱量。白色面材對于顏色的顯示更為明顯[14]，易于運(yùn)行人員在巡視過程中觀測。

4)遇水變色試紙及指示套管安裝和更換極為方便，遇水后顯色極易被識別，且造價(jià)低廉，推廣型強(qiáng)，可極大地提高閥塔漏水監(jiān)測的工作效率，節(jié)約了維護(hù)時(shí)間和維護(hù)成本。

4 結(jié) 論

1)檢修人員在設(shè)備停電期間對閥塔冷卻水回路水管進(jìn)行滲漏檢查時(shí)，可對該變色紙及水管進(jìn)行擦拭檢查，若發(fā)生變色反應(yīng)即可確認(rèn)此處有漏水故障，相較于肉眼檢查漏水點(diǎn)，這種方式的檢查效率和準(zhǔn)確性大大提高，有很強(qiáng)的實(shí)用性。

2)遇水變色試紙及指示套管采用了遇水變色材料和自卷密封技術(shù)，可用于冷卻主水管的法蘭及支管的接頭，實(shí)現(xiàn)牢固密封的效果；另外由于變色為其物理特性，因此對閥廳設(shè)備的安全運(yùn)行沒有影響，具有很強(qiáng)的可靠性。

3)遇水變色試紙及指示套管的密封功能使遇水變色材料不受周圍潮氣影響而發(fā)生變色，保證了漏水監(jiān)測的可靠性。

4)遇水變色試紙及指示套管補(bǔ)充了現(xiàn)有閥冷漏水監(jiān)測手段存在的不足，能夠清晰明確地顯示出水管中或接頭處的漏水點(diǎn)，極大地降低了換流閥閥塔漏水排查難度，且試紙及套管制作簡單，安裝方便、快捷，造價(jià)低廉，經(jīng)濟(jì)效益顯著。