一起換流站閥水冷系統(tǒng)故障問題分析及處理

劉 孝，錢逸磊，閆全全

（國網(wǎng)上海市電力公司檢修公司，上海 200063）

高壓直流輸電（HVDC）技術(shù)因具有傳輸容量大、傳輸距離遠(yuǎn)、可跨區(qū)域輸送電能等優(yōu)勢，成為輸送電能的重要手段［1］。換流站作為直流輸電工程的一個樞紐點(diǎn)，其安全穩(wěn)定運(yùn)行保證了整條線路的正常運(yùn)作和電網(wǎng)供電的穩(wěn)定性與可靠性［2］。閥水冷系統(tǒng)是換流站的重要組成部分。由于運(yùn)行時間久、電氣設(shè)備老化問題，閥水冷系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性會大大降低。通過對本次換流站閥水冷系統(tǒng)故障問題的分析，了解閥水冷控保的運(yùn)行邏輯，可為以后直流控制保護(hù)問題的現(xiàn)場檢修提供一些思路和方法。

1 閥水冷系統(tǒng)及閥水冷控制保護(hù)系統(tǒng)

1.1 閥水冷系統(tǒng)簡介

1.1.1 內(nèi)水冷和外水冷系統(tǒng)

閥水冷系統(tǒng)包括兩部分：內(nèi)水冷系統(tǒng)和外水冷系統(tǒng)。內(nèi)水冷系統(tǒng)是一個封閉的循環(huán)回路，低溫的冷卻介質(zhì)經(jīng)由主泵加壓后進(jìn)入循環(huán)管道，經(jīng)閥塔水管流入散熱器中對閥體各元件進(jìn)行降溫，將元件產(chǎn)生的多余熱量帶走；外水冷系統(tǒng)是一個開放式的系統(tǒng)，其主要功能就是對內(nèi)水冷系統(tǒng)中的冷卻介質(zhì)進(jìn)行降溫，使其溫度降低到一定范圍內(nèi)再進(jìn)入閥體內(nèi)循環(huán)降溫［3］。閥水冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示。

圖1 閥水冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

1.1.2 閥水冷系統(tǒng)的主要設(shè)備

內(nèi)水冷系統(tǒng)中的主要設(shè)備如下。

（1）主循環(huán)泵：為內(nèi)冷水系統(tǒng)的循環(huán)提供動力，一般配備兩臺，一臺運(yùn)行，一臺備用。

（2）加壓泵：更換離子樹脂或者系統(tǒng)發(fā)生泄漏，對系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)水時，需要用加壓泵將水打入。

（3）除鹽罐：內(nèi)冷水從閥體出來有一小部分進(jìn)入除鹽罐（10%～15%）進(jìn)行去離子操作，這是為了達(dá)到使循環(huán)系統(tǒng)中的冷卻水具有高電阻率的目的。

（4）補(bǔ)水罐：當(dāng)膨脹罐中水位過低時，需要啟動補(bǔ)水回路對閥水冷系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)水。

（5）內(nèi)冷水儲存箱：儲存內(nèi)冷水。

外水冷系統(tǒng)中的主要設(shè)備如下。

（1）冷卻塔：對內(nèi)冷水中的散熱管進(jìn)行冷卻。

（2）噴淋泵：為外冷水的循環(huán)提供動力，外冷水中的水被噴淋泵抽到冷卻塔中對內(nèi)冷水進(jìn)行冷卻，再回流到外冷水池中，一般冷卻塔配兩臺噴淋泵，一臺運(yùn)行，一臺備用。

其他設(shè)備：系統(tǒng)中還有大量的測量傳感設(shè)備，如主泵進(jìn)水和出水壓力傳感器、出閥和進(jìn)閥溫度傳感器、內(nèi)冷水電導(dǎo)率傳感器、水流量計等，用來對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

1.2 閥水冷控制保護(hù)系統(tǒng)（CCP）

閥水冷控制保護(hù)系統(tǒng)是由CCP A、CCP B 兩套冗余系統(tǒng)組成，每套控制保護(hù)系統(tǒng)又為雙套配置CCP1 和CCP2，其中CCP1 為主保護(hù)，CCP2 為后備保護(hù)。極控系統(tǒng)（PCP）實(shí)時監(jiān)測兩個CCP系統(tǒng)的狀態(tài)，如果監(jiān)測到兩個水冷控制保護(hù)系統(tǒng)都不在運(yùn)行狀態(tài)則進(jìn)行閉鎖直流操作［4］。閥水冷控制保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖2 所示。

圖2 閥水冷控制保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

閥水冷控制保護(hù)系統(tǒng)的主要功能是：進(jìn)出水溫保護(hù)、主流量保護(hù)、分支水流量保護(hù)、泄漏保護(hù)，主要對主水流量、進(jìn)出水溫度、分支流量、膨脹箱水位、主泵進(jìn)出水壓力、電導(dǎo)率等信號進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測；同時也實(shí)現(xiàn)對主泵、冷卻塔風(fēng)扇、噴淋泵、補(bǔ)給水箱電磁閥等設(shè)備的控制［5］。閥水冷控制保護(hù)系統(tǒng)主要保護(hù)功能示意如圖3 所示。

圖3 閥水冷控制保護(hù)系統(tǒng)主要保護(hù)功能示意

2 故障分析

2.1 故障概況

2.1.1 故障等級與動作策略

直流控制與保護(hù)系統(tǒng)設(shè)置有三種故障等級報警：輕微、嚴(yán)重、緊急。

（1）輕微故障（一級）：設(shè)備外圍部件有輕微異常，對正常執(zhí)行控制功能無任何影響，但需要加強(qiáng)檢測并及時處理。

（2）嚴(yán)重故障（二級）：設(shè)備本身有較大缺陷，但仍能繼續(xù)執(zhí)行相關(guān)控制功能，需要盡快處理。

（3）緊急故障（三級）：設(shè)備關(guān)鍵部件發(fā)生重大問題，已不能繼續(xù)承擔(dān)相關(guān)控制功能，需立即退出運(yùn)行進(jìn)行處理。

《國家電網(wǎng)公司防止直流換流站單、雙極強(qiáng)迫停運(yùn)二十一項反事故措施》規(guī)定了關(guān)于直流控制系統(tǒng)故障后動作策略的相關(guān)要求。

（1）若運(yùn)行系統(tǒng)發(fā)生輕微故障，而另一系統(tǒng)處于備用狀態(tài)且無任何故障時，則系統(tǒng)切換，切換后，輕微故障系統(tǒng)將處于備用狀態(tài)，當(dāng)新的運(yùn)行系統(tǒng)發(fā)生更為嚴(yán)重的故障時，還可以切換回此時處于備用狀態(tài)的系統(tǒng)；若運(yùn)行系統(tǒng)發(fā)生輕微故障，備用系統(tǒng)也發(fā)生輕微故障時，系統(tǒng)不切換。

（2）若運(yùn)行系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障，而另一個系統(tǒng)處于備用狀態(tài)時，則系統(tǒng)切換，切換后嚴(yán)重故障系統(tǒng)不進(jìn)去備用狀態(tài)；若運(yùn)行系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障，而另一系統(tǒng)不可用時，嚴(yán)重故障系統(tǒng)可繼續(xù)運(yùn)行。

（3）若運(yùn)行系統(tǒng)發(fā)生緊急故障，而另一系統(tǒng)處于備用狀態(tài)時，則系統(tǒng)切換，切換后緊急故障系統(tǒng)不進(jìn)入備用狀態(tài)；若運(yùn)行系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障，而另一系統(tǒng)不可用時，閉鎖直流。

2.1.2 事故列表說明

某日，某換流站極一水冷系統(tǒng)發(fā)出ESOF 信號，控制保護(hù)執(zhí)行緊急停運(yùn)，跳開換流變進(jìn)線開關(guān)，因極一未送功率，未發(fā)生功率損失。根據(jù)當(dāng)時后臺事件報文，從02∶10∶40∶882 至02∶13∶39∶422約3 min 的時間內(nèi)水冷系統(tǒng)多次上報“主泵壓差故障”，每次故障產(chǎn)生后會導(dǎo)致主泵切換。

2.2 問題分析

2.2.1 “主泵壓差故障”判別

直流CCP 邏輯中關(guān)于“主泵壓差故障”的邏輯處理方式為：當(dāng)CCP 采集的主水管道進(jìn)水側(cè)壓力和主水管道出水側(cè)壓力均在正常范圍內(nèi)（即主水管道進(jìn)水側(cè)壓力在0～0.95 MPa、主水管道出水側(cè)壓力在0～1.50 MPa）時，若“主水管道進(jìn)水側(cè)壓力-主水管道出水側(cè)壓力”＜0.2 MPa，則產(chǎn)生“主泵壓差故障”報警，并進(jìn)行主泵切換，若切換主泵后故障仍然存在，則繼續(xù)進(jìn)行主泵切換操作，直至故障消失［6］。從事故報文可以看到，該換流站極-水冷系統(tǒng)出現(xiàn)“主泵壓差故障”時的切泵過程和上述邏輯關(guān)系一致。

2.2.2 “主循環(huán)水流量低”判別

直流CCP 邏輯中關(guān)于“主循環(huán)水流量低”的邏輯處理方式為：當(dāng)主循環(huán)水流量低于0.8 倍額定流量時判別為流量偏低，延遲1 s 報“主循環(huán)水流量低 報警”；當(dāng)主循環(huán)水流量低于0.6 倍額定流量時判別為流量超低，延遲1.5 s 左右進(jìn)行主備系統(tǒng)切換，再延遲4 s 報“主循環(huán)水流量低 緊急”，同時向PCP 發(fā)送跳閘請求。

根據(jù)現(xiàn)場后臺事故報文可知，在02∶13∶40∶388 報“主循環(huán)水流量低 報警”，延遲約1.5 s 后由于主循環(huán)水流量達(dá)到超低，水冷控制保護(hù)系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)切換，再經(jīng)過約4 s 后報“主循環(huán)水流量低緊急”并向PCP 發(fā)送了請求跳閘信號。整個過程與“主循環(huán)水流量低”邏輯關(guān)系一致。由后臺報文信息可以看到，從02∶13∶40∶148 泵一退出運(yùn)行到02∶13∶44∶420 泵一運(yùn)行，4 s 內(nèi)無主泵處于運(yùn)行狀態(tài)，在此過程中分別出現(xiàn)了“主循環(huán)水流量低 報警”“主循環(huán)水流量低 緊急”，故判斷“主循環(huán)水流量低”跳閘是由兩主泵均退出運(yùn)行導(dǎo)致的。

2.2.3 RS8680 單板故障試驗(yàn)驗(yàn)證分析

經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，該換流站CCPA柜+1.H8.14位置和+1.H13.10 位置兩塊RS8680 插件板卡故障，一塊是板卡通道二測量數(shù)據(jù)偏低，另一塊是板卡通道三測量數(shù)據(jù)偏低。通過搭建測試平臺，依次測試板卡各通道的輸入輸出情況，驗(yàn)證結(jié)論［7］顯示測試平臺結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 測試平臺及測試點(diǎn)示意

在板卡各通道分別輸入0 mA 和10 mA 電流，測試HCPL7800 輸入電壓、HCPL7800 輸出電壓、輸出至背板電壓，進(jìn)行數(shù)據(jù)對比得出結(jié)論。結(jié)點(diǎn)電壓的測試數(shù)值如表1～4 所示。

表1 輸入0 mA 時故障RS8680 板卡1 各測試點(diǎn)電壓

表2 輸入10 mA 時故障RS8680 板卡1 各測試點(diǎn)電壓

表3 輸入0 mA 時故障RS8680 板卡2 各測試點(diǎn)電壓

表4 輸入10 mA 時故障RS8680 板卡2 各測試點(diǎn)電壓

從表1～4 可以看出，板卡1 的通道2、板卡2 的通道3 的HCPL7800 輸出異常，與正常采樣值相比均偏低，與現(xiàn)場故障現(xiàn)象一致，推測是兩塊板卡通道異常的隔離放大芯片HCPL7800 功能失效導(dǎo)致的。

2.2.4 其他可疑問題判別

由“主泵壓差故障”邏輯判別結(jié)論可知，“主泵壓差故障”只會導(dǎo)致主泵切換，并不會造成主泵全停，并且CCP 邏輯中關(guān)于主泵全停的邏輯關(guān)系只有2 種可能：遠(yuǎn)程停水；水冷系統(tǒng)泄漏。

在整個事件過程中，后臺并未報上述兩種故障信息。對主泵1 控制回路進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，主泵的控制指令是由+1.H13.3（RS853）開出5（主泵1開啟）和開出6（主泵1 關(guān)閉）雙節(jié)點(diǎn)控制+2.V23.X2ST2-2L 雙線圈輔助繼電器實(shí)現(xiàn)控制主泵啟停的。因此也可能是雙線圈輔助繼電器頻繁動作造成輸出節(jié)點(diǎn)不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致輸出節(jié)點(diǎn)打開而使得主泵1 短時間停運(yùn)［8］。主泵1 控制回路示意如圖5 所示。

圖5 主泵1 控制回路示意

現(xiàn)場檢修期間還發(fā)現(xiàn)計量主循環(huán)水流量的表計接線也存在一定的問題，應(yīng)是水流量低時報警，而表計的報警狀態(tài)與邏輯相反。

3 故障處理

3.1 “主泵壓差故障”邏輯設(shè)置

當(dāng)出現(xiàn)“主泵壓差故障”時，應(yīng)先嘗試主備系統(tǒng)切換，如果切換后，新升為運(yùn)行的主系統(tǒng)未出現(xiàn)故障報警，則水冷系統(tǒng)可以繼續(xù)運(yùn)行，如果新升為運(yùn)行的主系統(tǒng)在運(yùn)行中故障仍然存在，則繼續(xù)進(jìn)行主泵切換。若完成主泵切換后故障繼續(xù)存在，則執(zhí)行主泵回切，之后保持主泵運(yùn)行狀態(tài)，并閉鎖“主泵壓差故障”執(zhí)行切泵的邏輯，直至故障完全消除后開放相應(yīng)切換邏輯和功能，在此過程中不能影響其他切泵邏輯關(guān)系。

3.2 雙線圈輔助繼電器測試

主泵全停有可能是雙線圈輔助繼電器頻繁動作造成的，故對水冷系統(tǒng)中的雙線圈輔助繼電器進(jìn)行測試。在停電檢修期間進(jìn)行手動切換主泵試驗(yàn)，觀察ST2-2L 雙線圈輔助繼電器輸出節(jié)點(diǎn)是否出現(xiàn)異常打開的情況。經(jīng)現(xiàn)場測試結(jié)果確認(rèn)，雙線圈輔助繼電器工作狀態(tài)正常，未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，故排除這一故障可疑點(diǎn)。

3.3 RS8680 板卡問題處理

對RS8680 板卡進(jìn)行試驗(yàn)測試，結(jié)果顯示，是兩塊板卡通道異常的隔離放大芯片HCPL7800 功能失效，這是導(dǎo)致本次主泵停運(yùn)的主要原因，為了驗(yàn)證這個故障原因，將故障板卡的隔離放大芯片HCPL7800 進(jìn)行更換，在之前搭建的板卡測試平臺上再次測試，測試數(shù)據(jù)顯示一切正常，在停電檢修期間對水冷系統(tǒng)配置的所有RS8680 板卡進(jìn)行采樣值測試，并對異常板卡進(jìn)行更換。更換隔離放大芯片HCPL7800 后板卡各點(diǎn)電壓測試數(shù)據(jù)如表5 所示。

表5 更換隔離放大芯片HCPL7800 后板卡測試各點(diǎn)電壓

3.4 主循環(huán)水流量計量表更換

現(xiàn)場停電檢修期間，發(fā)現(xiàn)水冷控制保護(hù)系統(tǒng)的主循環(huán)水流量計存在問題，更換新的流量計，并設(shè)置好各個參數(shù)。

4 討論

（1）在水冷系統(tǒng)發(fā)生故障時，先切換控制系統(tǒng)還是主泵？一般情況下，一次系統(tǒng)出現(xiàn)問題的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于二次系統(tǒng)，切換系統(tǒng)的時間更快，切主泵的危害則更大一些，同時，先切主泵也可以用來驗(yàn)證CCP 發(fā)出的指令是不是正確的。

（2）“主泵壓差故障”是一直執(zhí)行切主泵的指令直到故障消失還是切換一次系統(tǒng)切換一次主泵后閉鎖“主泵壓差故障”執(zhí)行指令邏輯？當(dāng)出現(xiàn)“主泵壓差故障”時，應(yīng)該執(zhí)行切主泵的指令，但如果切換后仍然存在故障繼續(xù)切泵，會導(dǎo)致有一段時間兩個主泵都不在運(yùn)行狀態(tài)，主循環(huán)水流量會降低跳閘，最終導(dǎo)致該極閉鎖。為避免此現(xiàn)象，在切換完系統(tǒng)后若存在故障，則進(jìn)行切主泵，如果切換主泵后故障仍然存在，則閉鎖“主泵壓差故障”執(zhí)行切主泵的邏輯命令。

5 結(jié)語

通過本次故障檢修和處理過程，對閥水冷系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、設(shè)備組成、控制保護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能有了進(jìn)一步了解，特別是水冷控制保護(hù)的故障判別邏輯，在故障處理過程中判斷出可能導(dǎo)致故障產(chǎn)生的各種原因，將故障范圍一步步縮小，直到最終定位。本次對換流站換流閥水冷系統(tǒng)的分析和判斷有利于水冷系統(tǒng)和整個換流站更加安全穩(wěn)定地運(yùn)行，也為今后直流檢修提供了一些現(xiàn)場檢修的思路，提高特高壓直流控保系統(tǒng)檢修的效率和準(zhǔn)確度。