特高壓換流站閥冷系統(tǒng)隱患分析及整改措施

莫文斌，張 文，徐攀滕，高紅亮

(中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司 廣州局，廣東 廣州 5 10405)

特高壓換流站閥冷系統(tǒng)隱患分析及整改措施

莫文斌，張 文，徐攀滕，高紅亮

(中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司 廣州局，廣東 廣州 5 10405)

針對特高壓穗東換流站閥冷系統(tǒng)內(nèi)冷水流量與壓力傳感器、外冷水池水位傳感器、冗余配置傳感器超差跳閘邏輯、跳閘出口回路、直流電源監(jiān)視回路及交流電源電壓監(jiān)視繼電器等方面存在的隱患，分析了閥冷系統(tǒng)的硬件配置和控制邏輯，對隱患進(jìn)行了整改或提出了臨時應(yīng)對措施，降低了直流系統(tǒng)發(fā)生強(qiáng)迫停運(yùn)的概率，保證了穗東換流站閥冷系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，為其他換流站的設(shè)計運(yùn)行維護(hù)提供了參考。

換流站;閥冷系統(tǒng);傳感器;電源監(jiān)視;隱患分析

0 引言

換流閥是特高壓換流站實現(xiàn)交直流轉(zhuǎn)換的核心元件，正常工況下通態(tài)平均電流高達(dá)3 750 A，長期運(yùn)行時將產(chǎn)生大量熱量。閥冷系統(tǒng)有效保障換流閥工作在適宜溫度下，是換流站最重要的輔助系統(tǒng)。若閥冷系統(tǒng)運(yùn)行異常，不僅易引起閥片損壞，而且可導(dǎo)致直流輸電系統(tǒng)發(fā)生閉鎖事故，嚴(yán)重影響主網(wǎng)架穩(wěn)定運(yùn)行［1，2］。本文分析了云廣特高壓穗東換流站閥冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制邏輯中存在的隱患，探討了消除隱患的改進(jìn)措施，為今后閥冷系統(tǒng)的設(shè)計運(yùn)行維護(hù)提供了參考。

1 閥冷系統(tǒng)

穗東換流站雙極四閥組各配置一套閥冷系統(tǒng)，閥冷系統(tǒng)主要包括水冷系統(tǒng)和閥冷控制系統(tǒng)兩部分。水冷系統(tǒng)分為內(nèi)冷水系統(tǒng)和外冷水系統(tǒng):內(nèi)冷水系統(tǒng)主要是為換流閥提供冷卻水，吸收換流閥運(yùn)行時散發(fā)出的熱量，以維持換流閥的正常工作溫度，確保換流閥可靠運(yùn)行。該系統(tǒng)為密閉式單循環(huán)回路，回路內(nèi)部主要包括主循環(huán)回路、旁路循環(huán)去離子回路和補(bǔ)水回路等。外冷水系統(tǒng)主要是冷卻內(nèi)冷水，為開放式循環(huán)系統(tǒng)，主要包括噴淋水泵、冷卻塔、外冷水池和補(bǔ)水回路等［3，4］。

閥冷控制系統(tǒng)具有監(jiān)視、控制、保護(hù)和通信四大功能，能實時監(jiān)視內(nèi)冷水流量、溫度、水位、壓力和電導(dǎo)率，外冷水池水位、溫度等參數(shù)及所有水泵、冷卻塔及風(fēng)扇、閥門、電源等設(shè)備狀態(tài)，并控制內(nèi)、外冷水系統(tǒng)設(shè)備，使各參數(shù)運(yùn)行在穩(wěn)定工況下。對內(nèi)、外冷水系統(tǒng)溫度、流量、水位和電導(dǎo)率等參數(shù)越限進(jìn)行報警，重要參數(shù)越限將保護(hù)出口閉鎖閥組。閥冷卻系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間各種狀態(tài)量、報警量等運(yùn)行狀態(tài)信息通過通信系統(tǒng)上送下發(fā)。控制系統(tǒng)由兩套冗余配置的SIMATIC S7系統(tǒng)組成，包括電源模塊、中央處理模塊、并行通信模塊等。電源模塊PS405向系統(tǒng)各模塊提供5V和24V直流電源，中央處理模塊CPU414－4H主要對輸入輸出進(jìn)行判斷、邏輯控制功能實現(xiàn)和自診斷等，輸入輸出模塊 SM321、SM322、SM331、SM332將模擬量和開關(guān)量輸入或從中央處理單元輸出，并行通信模塊IM153/IM157用來實現(xiàn)A、B單元間的數(shù)據(jù)交換和實時同步［5－8］。

2 閥冷系統(tǒng)隱患分析

閥冷控制系統(tǒng)監(jiān)控的內(nèi)冷水溫度、流量、電導(dǎo)率、主泵出水壓力、膨脹水箱水位、閥塔進(jìn)出水壓差和兩臺主泵運(yùn)行異常均能導(dǎo)致閥組跳閘，如表1所示［9～11］。分析閥冷系統(tǒng)硬件配置和控制邏輯，發(fā)現(xiàn)閥冷系統(tǒng)存在隱患。

表1 閥冷系統(tǒng)跳閘定值

2.1 傳感器隱患及整改措施

2.1.1 閥內(nèi)冷系統(tǒng)流量與壓力傳感器

閥冷系統(tǒng)流量傳感器B100為單一配置，用于監(jiān)測內(nèi)冷水流量。閥冷系統(tǒng)壓力傳感器B106、B107為冗余配置，用于監(jiān)測內(nèi)冷水管道壓力，但傳感器B107數(shù)據(jù)僅在流量傳感器B100故障后被閥冷控制系統(tǒng)采用。當(dāng)傳感器故障引起內(nèi)冷水流量或管道壓力測量值異常，超出閥冷定值時，將導(dǎo)致閥組跳閘，影響直流功率輸送。由于采用單傳感器出口方式，流量與壓力傳感器故障導(dǎo)致閥冷系統(tǒng)誤跳閘風(fēng)險較高。2012年12月05日01時23分，穗東換流站極2高端閥組因內(nèi)冷水流量低跳閘，事后檢查發(fā)現(xiàn)實為流量傳感器故障引起的誤動［12］。

整改措施:取消原閥冷控制系統(tǒng)“B100流量傳感器和B106壓力傳感器均故障時，延時兩小時跳閘”功能，將內(nèi)冷水流量與壓力跳閘邏輯修改為“三取二”邏輯。B100流量傳感器和 B106、B107壓力傳感器均正常時，當(dāng)B100流量小于跳閘設(shè)定值、B106壓力小于跳閘設(shè)定值、B107壓力小于跳閘設(shè)定值三個條件滿足兩個或以上，達(dá)到定值延時后，閥冷系統(tǒng)出口跳閘。當(dāng)系統(tǒng)判其中一個傳感器故障時，采用“二取二”邏輯，另兩個測量值需同時達(dá)到定值才能出口跳閘。當(dāng)系統(tǒng)判其中兩個傳感器故障時，采用“一取一”邏輯，另一個測量值達(dá)到定值即出口跳閘。

2.1.2 閥外冷系統(tǒng)水池水位傳感器

外冷水池水位傳感器為單一配置，當(dāng)水池水位低于80%時，系統(tǒng)啟動補(bǔ)水泵補(bǔ)充冷卻消耗掉的外冷水。當(dāng)傳感器發(fā)生異常，如測量值固定在90%以上時，外冷水水位控制功能失效，補(bǔ)水泵將不會啟動補(bǔ)水。當(dāng)外冷水池水消耗完時，噴淋泵空轉(zhuǎn)易燒毀，且嚴(yán)重影響內(nèi)冷水冷卻效果，造成內(nèi)冷水入水溫度越限，閥組跳閘。

整改措施:對外冷水池水位傳感器進(jìn)行冗余化改造，可將單一的電阻式水位傳感器改為與浮球式水位傳感器并聯(lián)的邏輯，避免單一傳感器故障引起測量異常，提高水池水位測量可靠性。在改造完成前，可每日巡視外冷水水池實際水位，通過監(jiān)盤工作站觀察分析外冷水水位數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)傳感器異常情況。

2.2 閥冷控制邏輯隱患及整改措施

閥冷系統(tǒng)中，內(nèi)冷水溫度、電導(dǎo)率、膨脹水箱水位均為雙傳感器冗余配置，當(dāng)兩傳感器測量值不同且差值超出設(shè)定值時，閥冷控制系統(tǒng)判傳感器故障并出口跳閘，如表2所示。當(dāng)單一傳感器運(yùn)行異常時，易引起閥冷系統(tǒng)誤動跳閘。

整改措施:取消內(nèi)冷水溫度、電導(dǎo)率、膨脹水箱水位冗余傳感器超差跳閘出口邏輯，僅保留告警信號回路。

表2 閥冷系統(tǒng)超差跳閘定值

2.3 硬件回路隱患及整改措施

2.3.1 閥冷系統(tǒng)跳閘出口回路

閥冷系統(tǒng)跳閘出口回路為單繼電器回路，若繼電器故障誤動，將導(dǎo)致閥組跳閘。

整改措施:在閥冷系統(tǒng)原跳閘出口繼電器旁加裝并聯(lián)繼電器，將兩繼電器輔助接點串聯(lián)，使出口回路改為雙繼電器“與邏輯”方式，僅在兩繼電器均正確動作時發(fā)出閥組跳閘命令，有效避免單繼電器故障出現(xiàn)誤動。

2.3.2 直流電源監(jiān)視回路

閥冷系統(tǒng)直流電源為雙回冗余配置，當(dāng)監(jiān)視回路監(jiān)測到雙回電源故障時，將引起閥組跳閘。由于設(shè)計缺陷，直流電源監(jiān)視回路1、2分別由空開F08、F04供電。空開F04輔助接點接于監(jiān)視回路1，空開F08輔助接點接于監(jiān)視回路2，如圖1所示。當(dāng)空開F04斷開時，監(jiān)視回路1因空開F04輔助接點斷開告警，監(jiān)視回路2因失電告警，系統(tǒng)判雙回直流電源故障，從而出現(xiàn)直流電源單回故障造成閥組跳閘的嚴(yán)重后果。

圖1 直流電源監(jiān)視回路

整改措施:調(diào)整直流電源監(jiān)視回路供電電源，由空開F04供直流電源監(jiān)視回路1，空開F08供回路2。空開F04或F08發(fā)生單一故障時，僅影響一路直流電源，另一路直流電源正常工作，保障閥冷控制系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。

2.3.3 交流電源電壓監(jiān)視繼電器

閥冷系統(tǒng)主泵、噴淋泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)等設(shè)備均由冗余配置的兩路交流電源供電，當(dāng)監(jiān)視回路監(jiān)測到主用電源故障時，將切換至備用電源，保證閥冷系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。由于閥冷系統(tǒng)交流電源電壓監(jiān)視繼電器采用其監(jiān)測的交流電源供電，在交流電源嚴(yán)重故障時，監(jiān)視繼電器功能可能失效，導(dǎo)致電源切換不成功，引起閥組跳閘。

整改措施:更換交流電源電壓監(jiān)視繼電器，改為由直流電源獨(dú)立供電的電壓監(jiān)視繼電器，交流電源故障時不會影響電壓監(jiān)視繼電器的正常工作，保障監(jiān)視切換回路穩(wěn)定運(yùn)行。

3 結(jié)論

換流站閥冷系統(tǒng)能保障換流閥溫度在正常范圍內(nèi)，是換流站最重要的輔助系統(tǒng)，也是直流輸電系統(tǒng)最薄弱的環(huán)節(jié)，南方電網(wǎng)多個換流站曾因閥冷系統(tǒng)故障導(dǎo)致直流停運(yùn)。閥冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含各種水泵、管道、閥門、風(fēng)扇和傳感器，對運(yùn)行環(huán)境要求高，各元件故障頻率高。對穗東換流站閥冷系統(tǒng)進(jìn)行的隱患分析和實施的整改措施，可有效降低直流系統(tǒng)強(qiáng)迫停運(yùn)率，為其他換流站的設(shè)計運(yùn)行維護(hù)提供參考。

［1］趙畹君．高壓直流輸電工程技術(shù)［M］．北京:中國電力出版社，2002．

［2］曹繼豐．高壓直流輸電現(xiàn)場實用技術(shù)問答 ［M］．北京:中國電力出版社，2008．

［3］鄭國書，馮戰(zhàn)武．天生橋換流站閥冷系統(tǒng)不穩(wěn)定因素分析與改進(jìn) ［J］．廣西電力，2010，33(3):29－31．

［4］楊光亮，邰能靈，鄭曉冬．換流站閥水冷系統(tǒng)導(dǎo)致直流停運(yùn)隱患分析 ［J］．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(18):199－203．

［5］姚其新，饒洪林．換流站閥水冷系統(tǒng)隱患分析及治理［J］．華中電力，2010，5:56－58．

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［9］張先偉，鐘偉華．±800 kV特高壓換流站閥廳及控制樓電磁屏蔽 ［J］．電力建設(shè)，2012，33(2):36－39．

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［11］南網(wǎng)超高壓輸電公司．±800kV直流換流站運(yùn)行技術(shù)［M］．北京:中國電力出版社，2011．

［12］云廣±800kV直流輸電工程穗東換流站交流場控制系統(tǒng)運(yùn)行分析［J］．電力建設(shè)，2013，34(4):91－94．

Hidden Danger Analysis and Improvement Measures in the Valve Cooling System of UHVDC Converter Station

Mo Wenbin，Zhang Wen，Xu Panteng，Gao Hongliang
(GZ Bureau，CSG EHV Power Transmission Company，Guangzhou，Guangdong 510663，China)

In allusion to hidden dangers of the valve cooling system in UHVDC Suidong converter station，such as the water flow and pressure sensor in the DIW main stream，the water level sensor in the spray water tank，exceeding tolerance trip logic of the redundant sensor，trip circuit，DC power monitoring circuit，AC power supply monitoring relay，etc．Hardware configuration and control logic of the valve cooling system are analyzed．The paper proposes improvement measures to reduce the UHVDC forced outage rate．The results ensure the security and stability of the valve cooling system in Suidong converter station，and provide reference value for equipment manufacture and engineering design．

converter station;valve cooling system;sensor;power monitoring;hidden danger analysis

TM723

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.03.006

2014－11－20。

莫文斌 (1981-)，男，工程師，主要研究方向為特高壓直流輸電系統(tǒng)，E-mail:mowenbin@126．com。