換流閥水冷系統(tǒng)故障統(tǒng)計及原因分析

高源，任麗佳

（1.國網(wǎng)陜西省電力有限公司營銷服務(wù)中心（計量中心），陜西 西安 710000；2.國網(wǎng)山西省電力公司超高壓變電公司，山西 太原 030000）

近年來，國內(nèi)外電力行業(yè)得到了飛速發(fā)展，尤其在電力傳輸技術(shù)領(lǐng)域，已經(jīng)獲得了諸多新的成果，越來越多的技術(shù)方法為提升電力傳輸能力提供了幫助，高壓直流輸電工程的持續(xù)開展，使得國家電力傳輸優(yōu)化方面得到了更多保障[1-2]。而不同區(qū)域經(jīng)濟水平高低不同，導(dǎo)致電力需求水平亦存在差異，跨區(qū)聯(lián)網(wǎng)是解決該問題的重要措施之一，實現(xiàn)不同地區(qū)電力容量的平衡分布，有利于緩解用電緊張的問題。

高壓直流輸電系統(tǒng)中的換流閥作為直交流高電壓轉(zhuǎn)化的重要裝置，在運行過程中容易出現(xiàn)故障，容易造成換流系統(tǒng)停運，從而造成無法估量的經(jīng)濟和社會損失[3-4]。換流閥在高壓直流電系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，換流閥的安全運行，是高壓直流輸電穩(wěn)定運行的重要保障之一。換流站的閥冷系統(tǒng)是換流閥系統(tǒng)的組成部分，是為晶閥冷系統(tǒng)降溫而設(shè)計的一套循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。相關(guān)資料顯示[5-6]，既往已經(jīng)有較多有關(guān)換流站閥冷系統(tǒng)運行故障的研究報道，但多數(shù)研究仍存在一定局限性，僅側(cè)重于換流站或某幾個換流站，其研究結(jié)論并不適用于全國大范圍的換流站。

因此，本文將結(jié)合相關(guān)文獻資料，對閥冷系統(tǒng)故障的發(fā)生原因進行系統(tǒng)性分析，以期為發(fā)冷系統(tǒng)故障提供有價值的預(yù)防和解決依據(jù)，對于換流站綜合考慮發(fā)冷系統(tǒng)的運行狀況提供相應(yīng)的參考。

1 閥冷系統(tǒng)運行故障原因分析

1.1 設(shè)備故障

1.1.1 主循環(huán)泵故障

主循環(huán)泵是冷凝水系統(tǒng)中保證冷凝水壓力不變、流速不變的重要操作設(shè)備。循環(huán)閥水冷卻系統(tǒng)的主泵軸封結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要有較高的制造與安裝精度，如果使用不當，將會造成嚴重的磨損與壽命縮短。主泵出現(xiàn)的故障有3 種，即振動異常、軸封破損、輸油量小。引起振動的因素有不平衡、基座松動、軸偏移、潤滑油振動、主軸彎曲及軸的摩擦力等。

1.1.2 變頻器故障

變頻調(diào)速器在速度要求較高的場合，輸出的電壓和頻率各不相同。變頻調(diào)速裝置的起動方式受施加電壓影響較大，不適用于頻率、負載不變的場合。采用變頻調(diào)速技術(shù)實現(xiàn)了變頻調(diào)速，如果發(fā)生故障，則主循環(huán)泵將停止運轉(zhuǎn)。

1.1.3 傳感器故障

閥冷系統(tǒng)中的傳感器主要采集流量、水位、溫度、壓力等運行參數(shù)。若感應(yīng)器不精確或受損、接線端松開、基座未緊固或者有嚴重的環(huán)境電磁干擾，那么實際測量值與監(jiān)測值之間就會出現(xiàn)較大的誤差，從而導(dǎo)致出現(xiàn)錯誤的報警和錯誤的保護動作。當傳感器出現(xiàn)故障時，將會引起流量、水位、溫度、壓力等測量值異常，超出閥門的冷態(tài)設(shè)定值，將引起閥門組跳閘，影響直流輸電。

1.2 水路問題

在水力循環(huán)系統(tǒng)中，經(jīng)常會出現(xiàn)管路堵塞、漏氣、和水位變幅等現(xiàn)象，對水力調(diào)節(jié)閥冷卻系統(tǒng)造成較大的影響。換流閥冷卻系統(tǒng)易發(fā)生腐蝕結(jié)垢，嚴重影響換流閥的安全運行。通過對轉(zhuǎn)爐站實際運行情況的分析，發(fā)現(xiàn)在等壓極、換熱器、過濾器、水管路及硅片散熱器上都有可能出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象。內(nèi)冷卻水系統(tǒng)中的結(jié)垢樣品脫落會引起水系統(tǒng)堵塞、水流動不順暢及內(nèi)冷水的效能下降，會引起電器部件燒損，甚至引發(fā)火災(zāi)。

1.3 監(jiān)控系統(tǒng)故障

閥水冷卻監(jiān)控系統(tǒng)不僅能監(jiān)控內(nèi)外冷系統(tǒng)，還能實現(xiàn)與各極點控制系統(tǒng)之間的信息交互。其中，閥式水冷監(jiān)測系統(tǒng)主要采用可編程序控制器（天廣和高橋為SⅠMATⅠCS5 型系統(tǒng)，興安和云廣為SⅠMATⅠCS7 型系統(tǒng)）。在主系統(tǒng)發(fā)生故障的情況下，該系統(tǒng)能自動、迅速、平穩(wěn)地切換到備用系統(tǒng)，且可實現(xiàn)自動起動。為了確保閥門冷卻系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，要根據(jù)相關(guān)裝置的具體運行情況，來設(shè)定監(jiān)測系統(tǒng)的參數(shù)。

1.4 自然因素

外界溫度的改變也會引起停電。在冬季，由于直流系統(tǒng)長時間停用，水冷卻水溫度較低，內(nèi)冷卻水系統(tǒng)采用旁路回路運行，造成了室外冷卻塔管路溫度偏低。在外界溫度升高時，或者在剛剛解除鎖定時，冷卻水的溫度升高，經(jīng)冷卻塔由旁路回路轉(zhuǎn)為循環(huán)式運行時，內(nèi)、外水溫驟變，水位驟降，造成漏電保護動作，引起單極閉鎖。

2 換流站閥冷系統(tǒng)故障統(tǒng)計與分析

對1990—2018 年間國內(nèi)發(fā)表的200 余篇國內(nèi)換流站故障的文獻進行了檢索，發(fā)現(xiàn)66 例由于氣門冷卻系統(tǒng)造成的換流站設(shè)備失效。依據(jù)失效的成因及失效的時刻，將失效的情況進行歸類、總結(jié)，如圖1 所示。根據(jù)3 個階段的數(shù)據(jù)對中國某變頻器換流站閥冷系統(tǒng)的失效情況進行了分析。1990—2000 年換流站閥冷系統(tǒng)故障原因統(tǒng)計如圖2 所示。

圖1 換流站閥冷系統(tǒng)故障年份統(tǒng)計圖

圖2 1990—2000 年換流站閥冷系統(tǒng)故障原因統(tǒng)計圖

由圖1、圖2 可知，2000 年前閥冷系統(tǒng)故障較少。其中，水路缺陷導(dǎo)致的故障較多，主要表現(xiàn)為腐蝕、結(jié)垢、堵塞等現(xiàn)象。另外，由于2001—2010 年換流站數(shù)量少，換流閥設(shè)計不完善，仍然存在很多問題，如圖3 所示。

圖3 2001—2010 年閥冷系統(tǒng)故障原因統(tǒng)計圖

由圖1 和圖3 可知，2001—2010 年間，新?lián)Q流閥閥芯數(shù)量逐年增加，在變電站運行過程中，變電站的各種故障也不斷出現(xiàn)，逐漸暴露出許多問題。而在這些問題中，水力問題和設(shè)備問題所占的比例很大，仍是導(dǎo)致?lián)Q流閥門失效的主要因素。

2011—2018 年以來，由于時間較短，中國轉(zhuǎn)爐閥體冷卻系統(tǒng)的事故較少，說明由于對轉(zhuǎn)爐閥體故障的重視和各種處理方法的使用，事故率已明顯降低。較大的停電事故發(fā)生在興仁、龍泉、興東、德陽、忠州和金華換流站。其中，系統(tǒng)設(shè)備故障、水路缺陷和供電問題是最常見的故障類型。由此可見，設(shè)備維護、水路系統(tǒng)缺陷和電力系統(tǒng)穩(wěn)定仍是需要解決的重要問題。

3 事故預(yù)想及解決方式的研究

以山西雁門關(guān)換流站（2017 年6 月投運）極-高端閥冷系統(tǒng)（如圖4 所示）為基礎(chǔ)，建立事故預(yù)想模型，給出事故解決方案。

圖4 ±800 kV 特高壓雁門關(guān)換流站極-高端閥冷系統(tǒng)

3.1 閥冷系統(tǒng)異常及故障

現(xiàn)象描述：內(nèi)水冷流量低報警，內(nèi)水冷流量低時內(nèi)水冷主循環(huán)泵切換。

處理步驟：①檢查管道流量和進閥壓力有無異常并橫向比對，若判斷為表計故障，在內(nèi)水冷控制面板上將故障表計退出，通知相關(guān)檢修維護人員處理；②檢查主循環(huán)泵運行情況，泵轉(zhuǎn)動中有無刺耳的雜音（防止泵中有空氣限制流速），檢查備用泵有無空轉(zhuǎn)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)異常切換主循環(huán)泵，通知相關(guān)檢修維護人員處理；③檢查閥門位置是否正常，若閥門位置異常，通知相關(guān)檢修維護人員處理；④檢查水冷管道有無滲漏，若發(fā)現(xiàn)滲漏點及時進行處理。

3.2 內(nèi)水冷溫度高報警

現(xiàn)象描述：閥水冷溫度高報警。

處理步驟：①檢查空冷系統(tǒng)風機運轉(zhuǎn)是否正常及冷卻塔風扇運行是否正常，若發(fā)現(xiàn)異常狀況，運用冗余冷卻能力，并退出故障設(shè)備，檢修維護人員參與處理；②檢查噴淋泵運行是否正常，若發(fā)現(xiàn)異常狀況，切至備用噴淋泵運行；③檢查冷卻塔風扇運行是否正常，若發(fā)現(xiàn)異常狀況，運用冗余冷卻能力，退出故障設(shè)備，通知相關(guān)檢修維護人員處理；④通過軟件對2 套保護系統(tǒng)進行檢查，觀察換流閥進出水溫度與冷卻塔出水溫度的情況，如溫度存在較明顯差異，此時應(yīng)密切監(jiān)視，并需要專業(yè)的檢修維護人員進行處理；⑤在測量值接近時，需要對溫度進行密切監(jiān)視，同時應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場的實際情況，采取針對性的輔助降溫措施；⑥如觀察到溫度持續(xù)上升，則需要申請調(diào)度降低直流負荷。

3.3 內(nèi)水冷泄漏

現(xiàn)象描述：內(nèi)水冷泄漏報警或膨脹罐水位低報警；巡視或監(jiān)視過程中，發(fā)現(xiàn)內(nèi)水冷有泄漏或水位異常降低的情況。

處理步驟：①檢查內(nèi)水冷膨脹罐水位是否正常，若水位正常且保持不變，通知相關(guān)檢修維護人員處理；②若水位持續(xù)迅速下降，立即申請調(diào)度停運相應(yīng)閥組，通知相關(guān)檢修維護人員處理；③若水位緩慢下降，達到補水液位，檢查補水泵是否啟動，若未啟動，手動啟動補水泵，保持水位在正常范圍，查找內(nèi)水冷回路漏點；④檢查閥廳地面是否有水跡，若發(fā)現(xiàn)閥塔漏水，請調(diào)度停運相應(yīng)閥組；⑤若主循環(huán)泵漏水，立即切換至備用泵運行，斷開故障泵的電源開關(guān)和安全開關(guān)，關(guān)閉故障泵的進出水閥門，通知相關(guān)檢修維護人員處理；⑥若發(fā)現(xiàn)內(nèi)水冷管道有漏點且能有效封堵，應(yīng)進行封堵，無法封堵但能夠隔離的進行隔離，無法封堵且無法隔離的，申請調(diào)度停運相應(yīng)閥組；⑦以上部位均未發(fā)現(xiàn)漏水且冷卻塔有冗余，輪流關(guān)閉一組冷卻塔內(nèi)水冷進出水閥門，檢查膨脹罐水位是否下降，排查冷卻塔內(nèi)部是否漏水；⑧若檢查發(fā)現(xiàn)冷卻塔內(nèi)部內(nèi)水冷管道漏水，且冷卻塔有備用冗余時，將該組冷卻塔隔離，通知相關(guān)檢修維護人員處理。

3.4 內(nèi)水冷電導(dǎo)率高

現(xiàn)象描述：內(nèi)水冷電導(dǎo)率高報警信號。

處理步驟：①現(xiàn)場檢查內(nèi)水冷電導(dǎo)率表計的指示是否正常、2 塊表計讀數(shù)是否一致；②若2 塊表計讀數(shù)偏差較大，則可能為表計故障，通知相關(guān)檢修維護人員處理；③檢查水質(zhì)，如果剛做過補水工作，檢查所使用補充水的電導(dǎo)率；④檢查電導(dǎo)率測量裝置的報警值整定，若電導(dǎo)率確實偏高，則通知相關(guān)檢修維護人員處理。

3.5 閥漏水檢測器報警

現(xiàn)象描述：閥漏水監(jiān)測報警信號。

處理步驟：①采用攝像頭并派人對閥廳地面及閥塔進行細致檢查，確定是否已經(jīng)有水，查看膨脹罐水位情況，是否已經(jīng)出現(xiàn)下降；②如果閥漏水檢測器信號能夠復(fù)歸，檢查未發(fā)現(xiàn)水跡且水位未發(fā)現(xiàn)下降，則加強對該極內(nèi)水冷系統(tǒng)運行情況的監(jiān)測，必要時申請調(diào)度停運相應(yīng)閥組；③在閥漏水檢測器信號不能實現(xiàn)復(fù)歸時，未找到水跡，同時亦未見水位發(fā)生下降，此時需加強監(jiān)測，通知相關(guān)檢修維護人員處理，必要時經(jīng)公司分管領(lǐng)導(dǎo)批準申請調(diào)度停運相應(yīng)閥組；④若漏水檢測器信號不能復(fù)歸，檢查發(fā)現(xiàn)水跡或發(fā)現(xiàn)水位下降，則立即申請調(diào)度停運相應(yīng)閥組。

3.6 內(nèi)水冷傳感器報警

現(xiàn)象描述：內(nèi)水冷傳感器故障相應(yīng)報警信號。

處理步驟：①在水冷控制面板上檢查各傳感器示數(shù)是否相近，若差異較大，加強監(jiān)測，通知相關(guān)檢修維護人員處理；②若發(fā)現(xiàn)報警傳感器測量值異常，在水冷控制面板上將故障傳感器隔離，通知相關(guān)檢修維護人員處理；③若檢查未發(fā)現(xiàn)異常，通知相關(guān)檢修維護人員檢查回路。

3.7 內(nèi)水冷主循環(huán)泵故障

現(xiàn)象描述：閥內(nèi)水冷系統(tǒng)主泵出現(xiàn)故障，備用泵投入運行正常。

處理步驟：①檢查主泵電機，若主泵電機有嚴重發(fā)熱、冒煙現(xiàn)象，立即在VCCP 室主泵動力柜內(nèi)進行斷電，斷開內(nèi)冷水室主泵電機安全開關(guān)，做好安全措施并通知相關(guān)檢修維護人員處理；②若主泵電機外觀檢查正常，對主泵電機電源開關(guān)和安全開關(guān)進行檢查，若無異常，斷開電源開關(guān)柜電源開關(guān)，做好安全措施并通知相關(guān)檢修維護人員處理；③若開關(guān)跳開則將跳開開關(guān)試合一次，若試合成功，加強監(jiān)測，試合不成功，通知相關(guān)檢修維護人員處理；④一臺泵運行的情況下，要加強監(jiān)測直流系統(tǒng)的運行情況，嚴防丟失該泵電源（此時一般不進行站用電系統(tǒng)切換操作），如短時間內(nèi)無法恢復(fù)故障泵，應(yīng)將相關(guān)情況向調(diào)度報備。

自2011 年以來，國內(nèi)的換流閥閥冷系統(tǒng)并未出現(xiàn)較多故障，隨著人們對其重視程度的提高及各種故障相關(guān)解決方案的應(yīng)用，換流閥故障的發(fā)生概率已經(jīng)處于較低水平。在這段時間內(nèi)，水路系統(tǒng)設(shè)備故障、水路缺陷及供電隱患是換流站主要的故障類型，仍然有必要對設(shè)備進行積極維護，完善水路系統(tǒng)，同時盡可能地維持電網(wǎng)穩(wěn)定是目前相關(guān)領(lǐng)域工作中的重要目標。

4 結(jié)束語

換流站閥冷系統(tǒng)的安全性、可靠性與換流站的安全運行密切相關(guān)，加強對閥冷卻系統(tǒng)的監(jiān)測與保護是保證換流站閥冷系統(tǒng)安全可靠的關(guān)鍵；換流站的氣門冷卻系統(tǒng)有許多弱點，對其故障的成因進行了詳細的剖析，造成閥門冷卻系統(tǒng)故障的主要原因是水槽缺陷和設(shè)備故障；以2017 年投產(chǎn)的雁門關(guān)換流站閥冷接線為基礎(chǔ)，建立事故預(yù)想，給出解決方案，保障換流站閥冷系統(tǒng)的安全。