高壓直流換流閥冷卻水系統(tǒng)優(yōu)化措施

供稿|李宗紅，肖惠寧，周金龍，何瀟，郭新良，劉安琳 / LI Zong-hong, , XIAO Hui-ning, ZHOU Jinglong, HE Xiao, GUO Xin-liang, LIU An-lin

作者單位：1. 華北電力大學(保定)，河北 保定 071003；2. 云南電力技術(shù)有限責任公司，云南 昆明 650217；3. 云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650000；4. 云南電網(wǎng)有限責任公司曲靖馬龍供電局，云南 馬龍 655199

內(nèi)容導讀我國獨特的西電東送、南北互供電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略使得高壓直流輸電在我國具有較好的發(fā)展前景。換流閥是高壓直流輸電的核心設(shè)備之一，但其在運行過程中會產(chǎn)生大量的熱，這就需要閥冷卻水系統(tǒng)對其進行冷卻。因此，對高壓換流站直流換流閥冷卻水處理優(yōu)化技術(shù)研究很有必要。本文對閥冷卻水系統(tǒng)隱患進行排查，并提出相應的改進措施，對換流閥的安全穩(wěn)定運行將具有深遠意義，對國內(nèi)高壓直流輸電具有借鑒作用。

高壓直流輸電從1954年問世以來，先后經(jīng)歷了4次大型變革：1954年用汞弧換流器作換流閥；1972年用可控硅閥換流器作換流閥；1976年微型處理器應用于控制保護系統(tǒng)上；20世紀80年代許多新型的電力電子器件如金屬氧化物場效應管(MOSFET)、大功率雙極晶體管(BJT)等涌現(xiàn)并廣泛應用于工業(yè)上。這些新設(shè)備的不斷出現(xiàn)和變革為高壓直流輸電技術(shù)的長足發(fā)展提供了契機[1]。此外，高壓直流輸電與高壓交流輸電相比具有許多優(yōu)勢：(1)高壓直流輸電和與之相連的交流輸電系統(tǒng)的頻率、相位無關(guān)。(2)高壓直流輸電在輸電過程中只傳送有功功率，并且可以實現(xiàn)大容量、長距離輸電。(3)高壓直流輸電的傳送功率(包括大小和方向)可實現(xiàn)快速可控。(4)高壓直流輸電一次投資較大，后期線路維護調(diào)控費用少[2-5]。我國幅員遼闊，西電東送、南北互供的電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略對大容量、長距離輸電需求越來越明顯，這使得高壓直流輸電在中國占據(jù)著越來越重要的地位[6-10]。

換流閥是高壓直流輸電系統(tǒng)實現(xiàn)交直流轉(zhuǎn)換最核心和最關(guān)鍵的部件，正常運行時承受著高電壓和大電流，其換流閥內(nèi)部的可控硅元件將會產(chǎn)生大量的熱量。這時，為防止可控硅元件溫度過高而損壞，就需要設(shè)置閥冷卻水系統(tǒng)將可控硅元件上多余的熱量帶走[11-12]。這使得閥冷卻水系統(tǒng)成為了一個“屬于輔助但實際中卻處于絕對核心地位”極其特殊的系統(tǒng)，它直接關(guān)系到換流閥運行安全。此外，閥冷卻水系統(tǒng)還可直接發(fā)出單雙極閉鎖、停運指令。因此，高效可靠的閥冷卻水系統(tǒng)是確保換流閥安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。

但實際上，閥冷卻水系統(tǒng)的子系統(tǒng)設(shè)備較多，是動態(tài)運行的而非靜止設(shè)備。傳統(tǒng)慣性思維使得對水系統(tǒng)設(shè)備可靠性重視程度遠不及電氣設(shè)備。因此，在實際運行中閥冷卻水系統(tǒng)成為高壓直流系統(tǒng)中故障概率最高的設(shè)備之一，嚴重影響高壓直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。因此，對閥冷卻水系統(tǒng)故障進行研究分析，找出閥冷卻水系統(tǒng)的隱患，提出相應的防范和解決措施，對換流閥的安全穩(wěn)定運行將具有深遠意義。

閥冷卻水系統(tǒng)

閥冷卻水系統(tǒng)由閥外冷水系統(tǒng)和閥內(nèi)冷水系統(tǒng)構(gòu)成[13]，閥內(nèi)冷水系統(tǒng)負責將閥組件產(chǎn)生的的熱量排放到閥廳外，保證換流閥組件晶閘管在可控的溫度范圍內(nèi)運行，然后閥外冷水系統(tǒng)又將內(nèi)冷水系統(tǒng)的熱量帶走，排放到大氣環(huán)境中，保證內(nèi)冷水系統(tǒng)具有持續(xù)的冷卻能力。內(nèi)冷水系統(tǒng)和外冷水系統(tǒng)共同合作完成對換流閥的持續(xù)冷卻，從而保證了其安全穩(wěn)定運行。圖1為閥冷卻水系統(tǒng)原理圖。

圖1 閥冷卻水系統(tǒng)原理圖

閥內(nèi)冷水系統(tǒng)是一個封閉的循環(huán)系統(tǒng)[14-17]，由三個主要回路構(gòu)成：主水回路、穩(wěn)壓回路和水處理回路。圖2為閥內(nèi)冷水系統(tǒng)流程圖。如圖所示，主水回路由主循環(huán)泵、脫氣罐、管道等構(gòu)成；穩(wěn)壓回路由氮氣瓶、膨脹罐構(gòu)成；水處理回路由離子交換樹脂、補水泵等構(gòu)成。主水回路連接換流閥和閥外冷水系統(tǒng)換熱器，將熱量源源不斷地排出換流閥；水處理回路持續(xù)地對主水回路的一小部分水進行處理，除去水中雜質(zhì)并且對補水進行處理，保證主水回路內(nèi)冷水持續(xù)、穩(wěn)定的質(zhì)量；穩(wěn)壓回路用于緩沖系統(tǒng)水容積變化、隔絕空氣和保持壓力恒定等。

圖2 換流閥內(nèi)冷水系統(tǒng)圖

閥外冷水系統(tǒng)有兩種冷卻方式：水冷和風冷。風冷方式適用于寒冷地區(qū)，通過風機將冷風吹到換熱盤管外表面，使得換熱盤管內(nèi)的閥冷卻水得到冷卻。水冷則是在冷卻塔內(nèi)通過噴淋外冷水到換熱盤表面，使得換熱盤管內(nèi)的閥冷卻水得到冷卻。相比風冷，水冷方式更具有普遍性，本文主要討論水冷方式。水冷方式的閥外冷系統(tǒng)也是由三部分組成，分別是軟化單元、反滲透單元及噴淋單元。圖3為換流閥外冷(水冷)系統(tǒng)圖。如圖所示，軟化單元和反滲透單元設(shè)備比較簡單，僅僅有軟化設(shè)備和反滲透設(shè)備；噴淋單元比較復雜，由水冷冷卻塔、噴淋池及噴淋泵組成。

圖3 換流閥外冷(水冷)系統(tǒng)圖

故障排查及措施

據(jù)不完全統(tǒng)計，1990—2015年，我國29座直流換流站發(fā)生過160多次故障，其中故障涉及到直流換流閥冷卻水系統(tǒng)有43次，占了總故障次數(shù)的1/4。直流換流閥冷卻水系統(tǒng)發(fā)生的43次事故主要的事故類型有緊急(被迫)停運、跳閘、單(雙)極閉鎖、告警以及降功率，其中80%的故障造成了嚴重后果。因此，對直流換流閥冷卻水系統(tǒng)進行故障分析以及隱患排查對換流站的安全穩(wěn)定運行具有深遠意義。

外冷水系統(tǒng)缺陷

根據(jù)不完全統(tǒng)計顯示，直流換流閥出現(xiàn)的43次故障中有8次出現(xiàn)在閥外冷水系統(tǒng)，分別為2次水質(zhì)故障、3次水淹、1次水位傳感器誤觸發(fā)、2次電源故障，并且這8次故障都分別導致了直流換流閥閉鎖、跳閘或停運，對換流站的安全穩(wěn)定運行造成了一定的影響。外冷水系統(tǒng)故障對換流閥運行不是直接的過程而是一個間接的過程，其影響過程如圖4所示。外冷水系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，會導致冷卻容量不足，進而導致內(nèi)冷水水溫過高從而出現(xiàn)閉鎖、跳閘及停運的事故發(fā)生。

針對外冷水出現(xiàn)的這8次故障提出相應的措施進行解決。對于3次水淹導致的故障重在預防，尤其是在雨量較多的地方建的換流站，應該及時關(guān)注天氣情況，時常對排水泵進行檢查或者是增加排水泵的冗余，減少外冷水系統(tǒng)水淹的可能性。針對2次電源故障解決措施可以是增加站用電供電冗余。對于傳感器誤觸發(fā)的故障也是重在預防，應該優(yōu)化控制系統(tǒng)如采用雙傳感器。而對于2次水質(zhì)故障應該引起重視，水質(zhì)故障是一個累積過程，水質(zhì)較差在初期是看不出問題的，但是隨著運行時間的延長，腐蝕結(jié)垢會慢慢累積，最終將會導致較大的故障，引起較大損失。此外，水質(zhì)較差時，不僅會有腐蝕結(jié)垢產(chǎn)生還會有藻類及細菌生長，藻類生長嚴重情況下會導致其外冷水系統(tǒng)管道堵塞。因此，提高外冷水系統(tǒng)水質(zhì)狀況對閥冷卻水系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行有著較為重要的作用。

圖4 換流閥外冷水系統(tǒng)故障影響途徑

內(nèi)冷水系統(tǒng)隱患排查

相比外冷水系統(tǒng)，內(nèi)冷水系統(tǒng)故障情況就較為復雜多樣。在43次與閥冷卻水系統(tǒng)相關(guān)的故障中有35次出現(xiàn)在內(nèi)冷水系統(tǒng)，其中電源回路故障6次、控制系統(tǒng)故障8次、機械水路故障19次、水質(zhì)故障2次。內(nèi)冷水系統(tǒng)故障類型較多，需要逐個分析其故障原因并提出相應的解決措施。

◆ 電源回路故障

涉及到內(nèi)冷水系統(tǒng)的電源回路故障有6次，占內(nèi)冷水系統(tǒng)故障的17%，主要包括電源失電故障和電源切換失敗導致的故障，其影響途徑都是出現(xiàn)電源回路故障后導致主泵等用電設(shè)備停運或者不能正常啟動，進而導致單極閉鎖或者被迫停運事故。電源失電故障產(chǎn)生原因主要是回路電源采用單回路缺乏備用冗余，一旦線路出現(xiàn)故障就會直接引起電源失電故障。解決措施重在預防，電源供電線路更換為雙回路供電，提高其安全穩(wěn)定性。電源切換故障被報道是在1990年南橋換流站，其主要原因是線路自切回路設(shè)計不當，解決方案為優(yōu)化線路設(shè)計。

◆ 控制系統(tǒng)故障

涉及到內(nèi)冷水系統(tǒng)的控制系統(tǒng)故障有8次，占內(nèi)冷水系統(tǒng)故障的23%，主要為傳感器故障和控制保護故障。傳感器故障主要是由于測量誤差或者儀表出問題導致測量數(shù)據(jù)超過定值，進而引起直流閉鎖、降功率等事故發(fā)生。如2007年6月23日南橋換流站極Ⅰ內(nèi)冷水3B支流流量傳感器出現(xiàn)故障，誤報流量低導致極Ⅰ直流閉鎖[13]；2005年10月15日鵝城換流站由于溫度傳感器故障引起測量誤差，進而引起降功率運行[13]。解決措施主要從三個方面考慮：其一要從傳感器邏輯控制系統(tǒng)出發(fā)，優(yōu)化溫度、水位、流量、壓力保護等方面的邏輯控制。如流量傳感器，取消水冷分支流量跳閘的功能，保留其報警功能。其二，考慮冗余方面，對可能導致閉鎖的流量計、水位計、壓力計等進行雙重化改造。其三，定期對各傳感器進行檢查，確保各接線端子牢固、底座安裝牢固、絕緣性能良好?？刂票Ｗo故障主要是一些參考值選取欠佳，控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、抗干擾差造成的。如2009年8月15日，高嶺換流站，由于廠家設(shè)置的微分泄露定值不當(太靈敏)，在膨脹水箱超過定值后，微分泄露保護誤觸發(fā)導致單元1閉鎖[18]。解決措施可以從兩方面考慮，其一，從各控制保護定值出發(fā)，依據(jù)各換流站的實際情況設(shè)置更為合理的保護定值。如高齡換流站微分泄露保護定值從連續(xù)三次10 s內(nèi)膨脹水箱水位下降3 mm改為6 mm，單元1運行正常。其二，從控制保護軟件系統(tǒng)考慮，優(yōu)化邏輯控制。

◆ 機械水路故障

涉及到內(nèi)冷水的機械水路故障有19次，占內(nèi)冷水故障的54%，是內(nèi)冷水系統(tǒng)出現(xiàn)故障最多的地方。主要故障類型為腐蝕、結(jié)垢、堵塞、漏水等，故障類型復雜多樣，需要具體分析。

1) 內(nèi)冷水系統(tǒng)的腐蝕問題。

內(nèi)冷水系統(tǒng)腐蝕問題主要出現(xiàn)在兩個地方，一個是散熱器腐蝕，一個是均壓電極密封圈腐蝕[21]。

散熱器是內(nèi)冷水系統(tǒng)的核心部件之一，將可控硅閥產(chǎn)生的熱量通過內(nèi)冷水源源不斷地帶出換流閥，保證換流閥安全穩(wěn)定運行。散熱器的主要材質(zhì)是鋁合金，運行中發(fā)現(xiàn)，運行一段時間后散熱器內(nèi)部會有一定程度的腐蝕，其腐蝕類型主要是點蝕。對散熱器腐蝕目前有三種解釋，其一是認為散熱器腐蝕存在電解腐蝕，內(nèi)冷水系統(tǒng)采用去離子水作為內(nèi)冷水，電導率≤0.5 μS/cm，不同電位晶閘管散熱器、水冷電阻、水冷電抗器之間充滿了內(nèi)冷水，這就導致不同電位的金屬器件之間的水路中會產(chǎn)生電解電流，電解電流使得這些金屬件產(chǎn)生有不同程度的電解腐蝕。其二，金屬鋁在酸性堿性條件下都會發(fā)生腐蝕。由于內(nèi)冷水呈現(xiàn)微酸或微堿，且散熱器的主要材質(zhì)是鋁合金，因此散熱器會有一定程度的鋁腐蝕。其三，內(nèi)冷水系統(tǒng)水處理回路中的離子交換樹脂粉末會運行過程中會有一部分泄露到水路中，泄露出的樹脂粉末會吸附到散熱器表面，這些樹脂粉末和散熱器表面的材質(zhì)鋁形成一個堿性小環(huán)境從而對散熱器產(chǎn)生堿腐蝕。散熱器的腐蝕目前還在處于研究階段，還沒有產(chǎn)生一個定論，樹脂粉末泄露引起散熱器腐蝕認同度較高。對應其腐蝕產(chǎn)生的原因可以有針對性的措施。針對電解腐蝕，目前常用的方法是安裝均壓電極，這個方法已經(jīng)被廣泛采用。針對鋁腐蝕，可以從水處理方面著手，優(yōu)化水處理回路，提高內(nèi)冷水的水質(zhì)。對應樹脂粉末引起的堿腐蝕，可以從兩個方面考慮：一方面可從旁路過濾器方面考慮，減小過濾器的孔徑，盡可能多的過濾樹脂粉末。另一方面可以從流速上考慮，降低水處理回路水流速度，可以在一定程度上減少樹脂粉末的泄露。

圖5 均壓電極密封圈腐蝕對比圖

在安裝均壓電極的過程中，為了避免漏水，會在均壓電極上安裝密封圈。運行中發(fā)現(xiàn)，運行一段時間后密封圈會有一定程度的腐蝕，在故障統(tǒng)計中顯示涉及到內(nèi)冷水系統(tǒng)的35次故障中有4次是密封圈腐蝕漏水(其腐蝕對比如圖5)。密封圈腐蝕漏水的原因也可以從三個方面解釋：其一臭氧腐蝕，均壓電極會結(jié)垢，垢質(zhì)具有絕緣性質(zhì)并且均壓電極結(jié)垢從尖端開始向根部發(fā)展，結(jié)垢后的均壓電極尖端結(jié)垢較厚會呈現(xiàn)高阻性，而根部結(jié)垢較薄導電性較好從而使其電流密度較大，當電流密度達到一定程度就會電解產(chǎn)生臭氧，臭氧便將密封圈腐蝕。其二，安裝均壓電極的過程中，操作不當，過于擰緊導致其密封圈損壞。其三，設(shè)計不合理，未考慮實際情況。如天廣直流換流站最初的均壓電極安裝沒有考慮實際情況，安裝結(jié)構(gòu)無骨架，安裝后的均壓電極密封圈暴露在了因均壓電極結(jié)垢而產(chǎn)生臭氧的環(huán)境中，導致其密封圈腐蝕進而引起密封圈漏水。針對密封圈腐蝕原因建議：(1)減少水垢產(chǎn)生；(2)密封圈改進，對密封圈的各項參數(shù)如硬度等相關(guān)實驗驗證，在安裝過程中依據(jù)這些參數(shù)進行安裝；(3)對均壓電極進行改造，提高其自密性和預密性[19]。

2) 內(nèi)冷水系統(tǒng)結(jié)垢問題。

內(nèi)冷水系統(tǒng)結(jié)垢問題，最主要的是均壓電極結(jié)垢問題。為了減少內(nèi)冷水系統(tǒng)的電解腐蝕，現(xiàn)在換流站內(nèi)冷水系統(tǒng)一般都在其閥段并聯(lián)水路的進、出匯流管及其他相應位置安裝了電極[20-24]。閥塔均壓電極安裝位置有3處：(1)閥組件匯流管內(nèi)電極，安裝在閥段兩端對應的進、出水管內(nèi)，如圖6所示，E1、E2、E7、E8為陰極電極，E3、E4、E5、E6為陽極電極[25]；(2)安裝在組件匯流管與S型主水管連接處；(3)S型主水管電極，安裝在S型主水管的首端、尾端以及閥層之間。

圖6 閥組件內(nèi)均壓電極的安裝位置

均壓電極的安裝在一定程度上減少了散熱器的電解腐蝕，但也產(chǎn)生一些其他問題，其主要問題便是結(jié)垢，如圖7所示。均壓電極結(jié)垢會產(chǎn)生一系列相關(guān)問題，如均壓電極密封圈腐蝕、過濾器堵塞等。對結(jié)垢后的均壓電極進行分析發(fā)現(xiàn)，順流閥陰極側(cè)結(jié)垢較為嚴重逆流閥陽極側(cè)較為嚴重，垢質(zhì)的主要成分為β三羥基鋁石(96%～98%)，次要成分為α三水鋁石(2%～3%)。目前均壓電極結(jié)垢原因還處于研究階段，還沒有定論，主流觀點認為是由于散熱器腐蝕，腐蝕產(chǎn)物以[Al(OH)4]–形式存在，最終沉積到均壓電極上。依據(jù)這一原因分析，可以對應提出改進措施。改進措施從均壓電極的設(shè)計安裝和運行維護方面考慮。在設(shè)計方面，張培東等[22]提出了一些改造方案，改造后的電極采用一體式金屬結(jié)構(gòu)，探針直徑由1 mm增為2 mm，電極強度得到較大提高。此外，考慮到電極檢查的方便，將水管上的電極孔直徑由1 mm擴為4 mm，電極墊圈由探針末端移至水管外。在運行維護方面，從結(jié)垢方面考慮，提高水質(zhì)狀況，減少散熱器的腐蝕，最終達到減少結(jié)垢的發(fā)生。

圖7 均壓電極結(jié)垢圖

3) 內(nèi)冷水系統(tǒng)堵塞問題。

內(nèi)冷水系統(tǒng)堵塞問題主要是主過濾器堵塞。內(nèi)冷水在閥塔上通過“毛細管”進入散熱器內(nèi)部，內(nèi)冷水不斷循環(huán)將換流閥熱量帶走。為防止雜物進入閥塔的“毛細管”導致水管堵塞和結(jié)垢，在內(nèi)冷水系統(tǒng)主回路上安裝主過濾器[26]。

對幾個換流站的堵塞物進行分析發(fā)現(xiàn)其堵塞物種類較多，有垢樣、碎布、碎石、毛發(fā)以及墊片等。因此，可以推測主過濾器堵塞的原因可以有如下幾種：(1)碎布、碎石、毛發(fā)等可能是工程階段遺留在主泵處的U形水管、主管盲管、膨脹水箱等內(nèi)冷水管道“死區(qū)”中，最終被水流沖帶到主過濾上進而引起其堵塞。(2)均壓電極上脫落部分垢質(zhì)，被內(nèi)冷水沖帶到主過濾器上進而引起堵塞。針對其原因分析可以從換流站建造和運行維護兩方面考慮。換流站建造方面，首先考慮管道設(shè)計，盡量減少“死區(qū)”的存在，如減小盲管的長度，將其末端改為弧形并加裝閥門。其次考慮主過濾的冗余，設(shè)計備用主過濾器，主過濾器堵塞后可以切換至備用過濾器，消除因過濾器堵塞而導致緊急停運事故發(fā)生。換流閥運行維護方面，考慮提高內(nèi)冷水水質(zhì)，減少均壓電極結(jié)垢的發(fā)生。

◆ 水質(zhì)故障

涉及到內(nèi)冷水的水質(zhì)故障出現(xiàn)過2次，其原因是電導率超過定值。為了實時監(jiān)控內(nèi)冷水水質(zhì)，目前換流站用電導率作為衡量內(nèi)冷水水質(zhì)的指標，將內(nèi)冷水水質(zhì)指標定為≤0.5 μS/cm。其改進措施可以為增設(shè)其他內(nèi)冷水水質(zhì)指標如含氧量、pH等，通過各項指標協(xié)同衡量內(nèi)冷水水質(zhì)。

◆ 內(nèi)冷水系統(tǒng)隱患

內(nèi)冷水系統(tǒng)故障是閥冷卻水系統(tǒng)故障的主要來源，對主要故障類型進行細致分析發(fā)現(xiàn)電源回路故障和控制系統(tǒng)故障主要原因是由于控制邏輯和冗余考慮不足導致的，因此要優(yōu)化其控制邏輯，增加重要設(shè)備的冗余量。而機械水路故障的主要原因最終都可追溯到水質(zhì)狀況和冗余上，提高水質(zhì)狀況可以從根本上解決機械水路故障問題。

結(jié)束語

高壓直流換流閥在我國具有良好的發(fā)展前途。換流閥系統(tǒng)中“屬于輔助但實際中卻處于絕對核心地位”的閥內(nèi)冷水系統(tǒng)，由于重視程度不夠，發(fā)生了多起由其故障引起的降功率、閉鎖、緊急停運等事故，嚴重影響了換流站的安全穩(wěn)定運行。對故障進行分析，主要原因有：(1)控制邏輯方面不完善，導致一些誤觸發(fā)發(fā)生；(2)某些重要的設(shè)備冗余不足，導致其出現(xiàn)故障后，換流站只能被迫停運；(3)水質(zhì)狀況有待提高。因此，應該從三個方面采取措施以保障換流站的穩(wěn)定運行：(1)不斷完善閥冷卻水系統(tǒng)的控制邏輯和控制軟件；(2)重要設(shè)備安裝備用設(shè)備，提高運行穩(wěn)定性；(3)提高循環(huán)水水質(zhì)，減少腐蝕結(jié)垢的發(fā)生。

攝影 李景源