直流系統(tǒng)換流閥常見故障及處理方法

湖北省電力公司檢修公司交直流運檢中心 劉 　 潯 戴 　 迪 饒洪林 成 　川 艾 　 亮 吳 　 雙

直流系統(tǒng)換流閥常見故障及處理方法

湖北省電力公司檢修公司交直流運檢中心 劉 潯 戴 迪 饒洪林 成 川 艾 亮 吳 雙

隨著我國直流輸電的快速發(fā)展，直流輸電設(shè)備的國產(chǎn)化水平進一步提高。目前，±500kV常規(guī)直流輸電工程已經(jīng)基本上實現(xiàn)了國產(chǎn)化。結(jié)合換流站運行經(jīng)驗和目前閥控系統(tǒng)存在的缺陷與隱患以及直流設(shè)備運行過程中的幾次重大事件，提出改進的建議，希望能夠為國內(nèi)換流閥設(shè)備的運行、維護提供參考依據(jù)。

高壓直流；換流閥；閥控；故障

1　 引言

隨著高壓直流輸電技術(shù)的快速發(fā)展和高壓直流換流站的不斷建設(shè)，國產(chǎn)化技術(shù)和設(shè)備得到了越來越廣泛的應(yīng)用，目前，核心技術(shù)的換流閥設(shè)備已經(jīng)逐步實現(xiàn)了國產(chǎn)化。國家電網(wǎng)公司主要采用的是ABB公司的換流閥技術(shù)，如三常、三廣、三上工程。在后期的直流工程，如寧東直流工程等，逐漸開始采用AREVA、SIMENS公司的換流閥技術(shù)。這幾種換流閥技術(shù)基本已被國內(nèi)廠家吸收和轉(zhuǎn)換，現(xiàn)在新建工程基本生產(chǎn)已基本實現(xiàn)國產(chǎn)化。通過多年的運行經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)原有設(shè)計的不足和缺陷，是保障直流換流站安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素。

2　 換流閥設(shè)備故障情況分析

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)。每個閥塔有多個閥層組成，閥層內(nèi)串連若干組晶閘管級。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)備投運的前兩年中，以后逐漸平穩(wěn)，在運行超過10年后故障率會逐漸升高。部分設(shè)計失誤或安裝工藝問題，往往會造成換流閥閉鎖，直流停運的嚴重后果。

根據(jù)運行情況，故障類型、故障原因統(tǒng)計如下圖所示：

2.1 閥控設(shè)備故障分析

閥控設(shè)備是HVDC分層控制的主要核心之一。其主要目標是將極控系統(tǒng)的控制脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的電控制脈沖（CP）轉(zhuǎn)變?yōu)楣獾挠|發(fā)脈沖（FP）去觸發(fā)單閥，實現(xiàn)整流或逆變功能。同時可以實現(xiàn)對閥體本運行狀態(tài)的監(jiān)視功能。出現(xiàn)的故障多為元件故障。

2．1．1 閥控裝置異常

2005年6月，葛洲壩換流站極Ⅱ極控A系統(tǒng)檢測到觸發(fā)脈沖丟失系統(tǒng)切換到極控B，極控B也檢測到觸發(fā)脈沖丟失，觸發(fā)脈沖異常保護啟動跳閘命令，極Ⅱ直流系統(tǒng)閉鎖。故障原因為南瑞繼保生產(chǎn)的極控系統(tǒng)與閥控VBE系統(tǒng)接口裝置RCS9515工作電源不穩(wěn)定導致觸發(fā)脈沖無法發(fā)送到VBE。

2．1．2 閥控通訊接口工作異常

寧東直流閥控信息送后臺時需要通過RS232串口轉(zhuǎn)為光纖，且通訊環(huán)節(jié)過多，接口各不相同。在調(diào)試時期發(fā)現(xiàn)運行過程中傳送信號的扁平線受強磁場干擾出現(xiàn)誤發(fā)信號的現(xiàn)象，給直流運行帶來極大危害。

2011年7月，靈寶換流站后臺報“單元Ⅱ單閥PSU單元（門極單元電源）故障達2個”報警。閥故障產(chǎn)生后，北京四方監(jiān)控后臺漏報了部分事件，導致無法對故障晶閘管進行準確定位，對單閥所有晶閘管進行測試后才找到故障點。

2．1．3 閥控單元設(shè)計缺陷

高嶺換流站在隱患排查中發(fā)現(xiàn)，閥控單元VBE檢查到換流閥存在報警事件時，需要現(xiàn)場運行人員按下插件上的故障確認按鈕進行復位。不確認則系統(tǒng)仍判故障故障存在。當產(chǎn)生在不同位置的瞬時性故障數(shù)量達到系統(tǒng)跳閘條件時，VBE會發(fā)出跳閘命令。

2.2 閥本體設(shè)備故障分析

閥本體主要由串聯(lián)的晶閘管級、光纖回路和冷卻水回路組成。閥本體作為換流站核心設(shè)備，長期處在高壓運行狀態(tài)，當出現(xiàn)嚴重的故障時，需直流停電處理。閥本體本身造價高昂，占換流站總價的1/4，所以閥本體的穩(wěn)定運行極為重要。

2．2．1 閥本體元件故障

2008年12月葛洲壩換流站極Ⅱ直流系統(tǒng)在額定功率運行過程中，極Ⅱ換流閥保護Y橋差動保護Ⅲ段動作，極Ⅱ直流系統(tǒng)閉鎖。隨后通過檢查發(fā)現(xiàn)，極Ⅱ換流閥C相閥塔V22閥被整閥擊穿，此外還有多個晶閘管被擊穿損壞。該故障是由于晶閘管的老化（運行超過19年），晶閘管電耐壓能力降低和漏電流增加造成的。

2．2．2 閥本體安裝工藝不佳

2008年2月，靈寶換流站220kV側(cè)LTT閥冷卻系統(tǒng)膨脹罐液位超低保護動作跳閘，靈寶背靠背直流系統(tǒng)閉鎖。檢查發(fā)現(xiàn)220kV LTT閥第二層閥塔電抗器元件上小水管接口脫落。對更換下的小水管與正常水管對比分析，發(fā)現(xiàn)脫落水管上無明顯卡痕，接頭上雙戒指卡箍安裝時沒有突出部分，接頭無法卡緊。

2．2．3 閥體本內(nèi)部放電

2008年江陵站對極Ⅱ閥塔進行常規(guī)檢修試驗時，發(fā)現(xiàn)閥塔內(nèi)部光纖密封盒發(fā)現(xiàn)多根光纖外皮脫落，固定金屬塊和阻燃包上有明顯放電痕跡。原因為光纖槽盒內(nèi)阻燃包安放在槽盒固定金屬塊附近，在高壓運行環(huán)境下兩者之間出現(xiàn)了放電。

2．2．4 閥塔內(nèi)水管漏水

2010年10月南橋換流站極Ⅰ換流閥D橋差動保護IV段動作。現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)極1閥廳A相內(nèi)冷水漏水，登上閥塔后檢查發(fā)現(xiàn)極1 A相右側(cè)閥塔第2層陽極電抗器水冷電阻水管接頭斷裂，該接頭有明顯受熱熔化痕跡，水冷電阻支架有燒焦痕跡。

3　 換流閥設(shè)備常見故障檢查處理方法

3.1 閥控設(shè)備故障處理

閥控設(shè)備的故障主要是元件故障和通訊接口故障造成的。這要求閥控系統(tǒng)本身要具備完善的自檢能力。根據(jù)后臺報文的內(nèi)容準確定位，判斷故障是出在閥控系統(tǒng)還是閥本體元件，處理時應(yīng)注意閥控系統(tǒng)多數(shù)元件為單一配置，更換前應(yīng)先申請停電，避免在工作過程中造成直流閉鎖事故。

針對閥控設(shè)備的設(shè)計錯誤應(yīng)按照隱患排查要求，早發(fā)現(xiàn)早治理。主要是針對閥控與極控不是同一技術(shù)路線的情況（如林楓直流工程和靈寶二期工程引入了AREVA的換流閥及控制系統(tǒng)，而極控系統(tǒng)是許繼電氣公司引進的Siemens技術(shù)），應(yīng)全面檢查極控、閥控、閥本體之間的接口設(shè)計和保護回路設(shè)計是否可靠、完整，是否滿足兩套冗余設(shè)計。

3.2 閥本體故障檢查處理

閥本體故障主要是由于閥塔內(nèi)元件故障或漏水、放電導致的嚴重故障。閥塔內(nèi)元件冗余量較大，一般單閥內(nèi)出現(xiàn)一個元件故障無需立即停電處理。主要是通過專用測試儀對單個晶閘管級進行正反耐壓、保護功能測試來判斷故障元件。

水管漏水主要是由于閥塔內(nèi)振動過大或水管接口設(shè)計不合理造成的。應(yīng)定期檢查水管接頭力矩，水管靠在構(gòu)架上的應(yīng)做好接觸面的保護措施，減少振動和摩擦。而出現(xiàn)漏水現(xiàn)象時可能造成閥塔內(nèi)部短路，擊穿大量晶閘管，對閥本體造成極大的破壞。所以出現(xiàn)漏水后應(yīng)及時停運，防止故障擴大。在對水回路進行檢修時應(yīng)考慮閥塔水管排水、排氣、接口密封，閥塔元件防潮，冷卻水電導率控制等問題。

放電現(xiàn)象主要是由于安裝工藝不到位造成的。在大修期間應(yīng)對電氣接頭和可能出現(xiàn)高壓放電的金屬部分進行檢查。各類金屬構(gòu)架等應(yīng)安裝有等位線，以保證塔內(nèi)電場分布均勻。在出現(xiàn)放電現(xiàn)象后閥廳內(nèi)部的火災(zāi)報警系統(tǒng)應(yīng)能快速報警。當極早期煙霧探測器與紫外探頭同時動作時應(yīng)能及時發(fā)出直流停運的指令，保證閥塔安全。閥塔內(nèi)雖安裝有防火板，內(nèi)部均采用阻燃材料，但部分電器元件仍有放電起火的可能。在有較大的明火時應(yīng)采用窒息法關(guān)閉閥廳空調(diào)和所有風擋。確認明火熄滅后方可打開大門，防止火焰復燃。

4　 換流閥及閥控制設(shè)備的改進建議

目前直流控制保護系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了國產(chǎn)化，南瑞繼保、許繼電氣和北京四方公司均掌握了直流控制保護的核心技術(shù)。國內(nèi)換流閥一般由西電集團、電科院、許繼電氣生產(chǎn)。不同技術(shù)路線的設(shè)備相互通訊與接口存在一些問題。同時不同廠家的換流閥在元件布局上有著較大的差異，也各有特點。在此提出幾點建議，希望能對直流換流站的安全穩(wěn)定運行和日常運行維護工作起到一定的作用。

4.1 閥控與極控硬件接口統(tǒng)一

目前在運的國產(chǎn)化設(shè)備，直流控制保護系統(tǒng)和閥控系統(tǒng)接口不統(tǒng)一，如靈寶、高嶺背靠背換流站，直流控保與閥控系統(tǒng)的接口設(shè)備由許繼電氣、南瑞繼保等直流控保廠家提供；而德寶直流工程中，則由直流控保廠家南瑞繼保和閥控廠家中國西電集團分別生產(chǎn)各自的接口設(shè)備；寧東直流工程由許繼電氣提供接口設(shè)備。由于沒有統(tǒng)一硬件生產(chǎn)標準和要求，涉及到多個廠家，出現(xiàn)問題之后對原因的查找和分析帶來了較大的難度，為直流快速恢復運行帶來了障礙。因此建議接口設(shè)備采用統(tǒng)一的接口和通信規(guī)約，減少信號傳送的中間環(huán)節(jié)。

4.2 內(nèi)冷水回路可靠

對于內(nèi)冷水管設(shè)計應(yīng)采用大管徑，材料絕緣、耐高溫。接頭采用螺母設(shè)計，緊固力矩較大。各接頭處設(shè)計密封圈和電極，起到良好的密封和水路電位平衡作用。

每月定期對GIS設(shè)備氣室SF6氣體壓力進行檢查，發(fā)現(xiàn)壓力有下降趨勢則對該氣室進行密封性檢查。密封性檢查通常采用聚乙烯塑料布局部包扎積累法測定，氣密性檢查積累時間通常取24小時較為合適。還要結(jié)合經(jīng)常檢查SF6密度繼電器指針位置來作為密封性的輔助檢查。

4.3 閥本體、閥控設(shè)備元件質(zhì)量過硬

部分廠家提供的硬件質(zhì)量不合格。新投運的寧東直流工程、林楓直流工程以及靈寶背靠背二期工程，運行以來多次發(fā)現(xiàn)存在板卡虛焊、漏焊、電容漏液、針腳彎曲等現(xiàn)象。國內(nèi)廠家提升元件質(zhì)量是保證換流閥可靠運行的根本。在元件選材上一些廠家仍使用充油電容，當元件受沖擊后可能出現(xiàn)放電起火、為閥塔的防火安全上帶來隱患。建議采用絕緣、阻燃材料，保證設(shè)備安全。

4.4 閥塔本體、閥控設(shè)備設(shè)計改良

部分廠家在引進國外技術(shù)時未能較好的避免已有的設(shè)計缺陷，給穩(wěn)定運行帶來隱患。ALSTOM公司VBE設(shè)計上存在一個問題：如果VBE存在瞬時故障，需要人為手動進行復歸才能使得VBE恢復正常運行。該設(shè)計理念為故障告警后需得到確認，以防止運行人員忽略。而實際上這種設(shè)計存在系統(tǒng)擾動導致引起直流系統(tǒng)閉鎖的風險，建議取消報警保持功能。晶閘管觸發(fā)板的設(shè)計上，多家公司采用裸露的電路板，積灰嚴重，抗電磁干擾差。建議采用金屬封裝方式，可大大提高元件的可靠性。在換流閥塔的設(shè)計上，部分廠家采用緊湊型設(shè)計，縮短了閥塔自身的高度，未設(shè)計防火擋板。但另一方面，由于空間比較狹小，設(shè)備維護起來比較吃力，非常不方便。沒有防火擋板，在出現(xiàn)火災(zāi)時可能會蔓延至其他閥層，帶來更大大的損失。建議廠家對閥塔結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。

[1]Jos Arrillaga． High Voltage Direct Current Transmission．2nd Edition[M]．Printed in England by Srort Runpress Ltd．1998．

[2]陳紅軍．高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．電力建設(shè),2001,10(7):18-21．

[3]袁清云．特高壓直流輸電技術(shù)現(xiàn)狀及在我國的應(yīng)用前景[J]．電網(wǎng)技術(shù),2005,29(14):1-3．

[4]白光亞．光觸發(fā)晶閘管換流閥技術(shù)及其應(yīng)用[J]．高電壓技術(shù),2004,30(11):55-59．

[5]寧鳳輝,趙中原,邱毓昌．三峽至常州±500kV高壓直流輸電用晶閘管閥技術(shù)特點[J]．高壓電器,2003,39(4):62-69．

劉潯（1981—），男，江西九江人，大學本科，工程師，供職于國網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司特高壓交直流運檢中心檢修二次班，任副班長，從事直流控制保護系統(tǒng)維護工作。

戴迪（1983—），男，湖北武漢人，碩士研究生，工程師，供職于國網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司特高壓交直流運檢中心檢修二次班，技術(shù)專責，從事直流控制保護系統(tǒng)維護工作。

成川（1984—），男，四川成都人，大學本科，助理工程師，供職于國網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司特高壓交直流運檢中心檢修二次班，任工作負責人，從事直流控制保護系統(tǒng)維護工作。

艾亮（1986—），男，湖北武漢人，大學本科，助理工程師，供職于國網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司特高壓交直流運檢中心檢修二次班，檢修工，從事直流控制保護系統(tǒng)維護工作。

吳雙（1987—），男，湖南湘鄉(xiāng)人，大學本科，助理工程師，供職于國網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司特高壓交直流運檢中心檢修二次班，檢修工，從事直流控制保護系統(tǒng)維護工作。