HVDC閥水冷系統主循環回路電動閥隱患分析

黃晨，劉源，康文

(國網湖南省電力公司檢修公司，湖南長沙410007)

HVDC閥水冷系統主循環回路電動閥隱患分析

黃晨，劉源，康文

(國網湖南省電力公司檢修公司，湖南長沙410007)

文章以鵝城換流站閥水冷系統為例，通過分析主循環回路中電動閥的控制邏輯，指出其中存在導致直流系統閉鎖的隱患，提出的應對措施避免因電動閥門故障導致直流系統閉鎖，保證了換流站的安全穩定運行。

HVDC；換流站；閥水冷系統；電動閥；隱患分析；直流閉鎖

換流閥冷卻系統是直流輸電系統換流閥的重要組成部分，它將換流閥運行時產生的高熱量排放到閥廳外，保證閥體溫度運行在正常范圍內〔1－3〕，因此閥冷卻系統的穩定運行對直流輸電系統的安全穩定運行有著至關重要的作用。

閥內冷水系統是一個密閉的循環系統，其主循環回路由電動閥門控制切換，若電動閥門故障將會導致內冷水保護動作，甚至引起直流系統閉鎖〔4〕，鵝城換流站就曾發生過電動閥門誤動作導致的內冷水泄漏保護誤動作的故障〔5〕。以±500 kV鵝城換流站為例，對基于ABB技術的閥水冷系統主循環回路中電動閥存在的隱患進行了分析介紹，并提出了相應的解決措施。

1 閥冷卻系統

1.1 閥冷卻系統構成

閥冷卻系統可分為外水冷系統和內水冷系統。其中內冷水系統是一個密閉的循環系統，通過循環泵將經外水冷系統冷卻后的循環水送至換流閥內，吸收其運行過程中產生的大量熱量，帶走熱量的內冷水經外冷水系統冷卻后，再開始下一個冷卻循環；冷卻水的水溫、流量和電導率是影響閥水冷系統正常運行的主要因素〔6〕。

1.2 閥水冷控制保護系統 (CCP)

閥水冷控制保護系統實現對內冷水與外冷水系統的監視與控制，同時完成與對應的極控系統信息的交換，主系統故障時將自動、快速、平滑的切換至備用系統，2套系統均故障則啟動直流輸電系統強迫停運〔2，6〕。

2 電動閥門故障分析

2.1 內冷水主循環回路中的電動閥門

閥水冷系統主循環回路中的電動閥門主要包括切換閥門K5，K6和旁通閥門K7，K8，其中K5與K7閥門位于同一回路中，K6與K8閥門位于同一回路中，主循環回路中的電動閥門位置如圖1。

圖1 主循環回路中的電動閥門位置

電動閥均由閥水冷控制保護系統 (CCP)自動控制，其中K5，K6閥門各控制1條主水管道，每周切換1次；旁通閥K7，K8與閥門K5，K6一一對應，負責內水冷系統的內外循環切換〔7〕。

運行經驗證明，鵝城站K5，K6及K7，K8閥門近年故障時有發生 (見表1)，嚴重威脅直流輸電系統的安全穩定運行。

表1 電動閥門故障統計 次

2.2 閥門故障分析

2.2.1 閥門的控制邏輯

1)切換閥門K5，K6控制邏輯

K5，K6閥門控制邏輯如圖2所示，K5，K6閥門的切換有2種情況:

①周切換:由于與主泵切換采用的是同一個計時器，故K5，K6閥門的切換與主泵的切換一同進行。當計時器達到一周時，先進行主泵切換，若無K7，K8閥門故障信號，3 min后切換 K5，K6閥門。

②故障切換:若K7閥門故障，控制系統認為在同一支路上的K5閥門不可用，將切換至K6回路運行；同樣，若K8閥門故障，系統將切換至K5回路運行。

圖2 閥門控制邏輯

2)旁通閥門K7，K8控制邏輯

閥水冷系統的內外循環切換是通過電動閥K7，K8的分合實現。當電動閥完全閉合時，內冷水為外循環；當電動閥完全打開時，內冷水為內循環；當電動閥呈不完全打開狀態時，內冷水一部分外循環，一部分內循環。其控制邏輯如圖3。

圖3 閥門控制邏輯

①外循環

當閥進水溫度高于12℃時，系統發指令讓電動閥閉合，在電動閥轉動的過程中，若閥進水溫度持續高于11℃，則該指令一直發出，直至電動閥完全閉合，內冷水為完全外循環。

當冷卻塔出水溫度低于3℃時，內冷水的加熱器已開啟，為防止室外內冷水凍結，系統發指令讓電動閥閉合，使其進行外循環，若冷卻塔出水溫度持續低于5℃，則該指令一直發出，直至電動閥完全閉合，內冷水為完全外循環。

②內循環

當閥進水溫度低于8℃時，系統發指令讓電動閥分開，在電動閥轉動的過程中，若閥進水溫度持續低于9℃，則該指令一直發出，直至電動閥完全分開，內冷水為完全內循環。

③中間狀態

內循環轉為外循環的過程中，若閥進水溫度低于11℃，則停止發閉合指令，且只要溫度在8～12℃變化范圍內，閥門將一直保持現有狀態，即內冷水一部分為內循環，一部分為外循環。

外循環轉為內循環的過程中，若閥進水溫度高于9℃，則停止發分開指令，且只要溫度在8～12℃變化范圍內，閥門將一直保持現有狀態，即內冷水一部分為內循環，一部分為外循環。

2.2.2 閥門故障原因分析

主循環回路中電動閥門的故障一般由水質因素〔2〕、閥門機械故障、控制回路故障等原因造成。

檢測結果知，鵝城站閥水冷系統水質狀況良好，金屬離子較少，無大量水垢存在的現象，閥門因水垢等原因造成無法正常動作的可能性并不大。

2014年度閥水冷系統水樣檢測結果見表2。

表2 2014年度閥水冷系統水樣檢測結果

鵝城站于2004年6月雙極正式投運，運行超過10年，設備已進入老化期，電動閥門在工作過程中極有可能發生由于電機老化故障導致的閥門無法正常動作。

式(7)中:Et為發射信號的能量;Er為接收信號的能量;?hh(τ,ξ)為混響信道散射函數;χ(τ,ξ)為信號模糊函數。從式(7)中可看出，信號模糊函數與混響散射函數重疊面積的減小使目標檢測性能得以提高。

主循環回路電動閥門的工作狀態由閥水冷控制保護系統 (CCP)中的PS830和PS853進行控制，當板卡或閥門控制回路中的繼電器工作異常時，均有可能導致閥門故障。該站2012年曾發生過由于PS853板卡工作異常導致的K5閥門故障。

3 隱患分析及改進建議

3.1 切換閥門K5，K6隱患及改進措施

設計切換閥門K5，K6的主要目的是配合旁通閥門K7，K8進行內外循環切換，而每周定期切換閥門則是為了保證電動閥的可靠性。

電動閥K5，K6在打開與關閉狀態下的切換需要約10 s的時間，其切換遵循 “先開后關”的原則。正常情況下閥門的切換過程如下:切換閥門的指令→打開備用閥門→系統收到備用閥門打開的信號后關閉之前運行的閥門，從而完成一次電動閥的切換。

以打開K6閥門、關閉K5閥門過程為例，若K6閥門在未完全打開前其位置指示信號K6_OPEN _IND由于故障變為1，控制系統CCP收到K6閥門已完全打開的錯誤信號后，停止打開K6閥門同時關閉K5閥門，導致主循環回路中的水量減小，這將直接影響閥體元件的散熱效果，并可能引起流量保護動作閉鎖直流。此外，電動閥K5，K6使用已超過10年，隨著使用年限的增加，閥門的機械磨損會逐年增加，未來該閥門故障幾率將成幾何級上升，一旦閥門切換過程中發生故障，就有可能導致直流閉鎖甚至換流閥元件損壞。

實際運行經驗表明，即使K5，K6閥門故障，旁通閥門K7，K8也可以順利完成內外循環切換。可見實際運行過程中，切換閥門K5，K6不僅在內外循環切換未起到配合作用，反而增加了直流系統閉鎖風險。因此，可考慮修改CCP軟件邏輯，正常運行時取消K5，K6閥門的自動周切換功能，使閥門一個保持在打開狀態另一個在關閉狀態或2個閥門均在打開狀態，避免切換閥門過程中的直流閉鎖風險；對于新建工程，建議設計時取消電動閥K5和K6，改用機械閥門進行連接，防止由于電動閥故障導致直流系統閉鎖。在最新投運的哈鄭特高壓直流輸電工程中，其閥水冷系統中已取消主循環回路電動閥K5和K6的周切換功能，系統運行狀況良好。

3.2 旁通閥門K7，K8隱患及改進措施

由于未考慮運行實際，該站閥水冷系統也設置了內外循環功能。2008年2月3日，曾發生過由于內外循環切換導致內冷水泄漏保護誤動故障〔9〕。雖然在這之后ABB將內外循環切換定值由20℃改為10℃，但這只是降低了發生內外循環的概率，并沒有從根本上消除內外循環的風險。

鵝城站位于南方炎熱地區，即使在冬季直流系統輕載運行時，閥進水溫度始終高于20℃，因此K7和K8閥門始終處于外循環狀態，不會發生切換到內循環運行的情況。如果一旦因溫度測量不準確、控制板卡故障或電源波動等，導致K7和K8閥門誤轉為內循環狀態，此時相當于冷卻塔被隔離，系統冷卻能力將大大降低，水溫快速上升將導致極閉鎖。建議將K7和K8閥門控制方式打至手動，并斷開其控制電源和電機電源，確保該閥門不會誤動；對于新建工程，若換流站所在地域常年高溫炎熱，設計時即可考慮取消K7和K8閥門和內外循環功能，這樣既能減少設備投資，又能避免內外循環切換導致的直流系統閉鎖風險。

4 ABB與西門子閥冷技術的對比

換流站閥水冷技術主要分為2種路線:一種為ABB技術路線，另一種為西門子技術路線。目前國網公司換流站多是基于ABB技術的閥冷系統，而南網公司多數換流站采用的是基于西門子技術的閥冷系統。

圖4 某換流站閥水冷系統圖

圖4 為基于西門子技術的某換流站閥水冷系統結構，其主循環回路設計較為簡單，沒有切換閥門K5，K6和旁通閥門K7，K8，只有1條主管路從主循環泵連接至換流閥。

ABB閥冷系統的源自人口稀少、位于高寒地區的瑞典，旁通閥門的設計可以減少閥冷卻系統能耗。而我國人口眾多，國內的直流系統常年大負荷運行，旁通閥門不僅未能起到減少能耗的功能，相反還增加了直流系統的閉鎖風險。因此，相較于ABB閥冷技術，西門子公司的設計不僅減少了設備投資，又能有效避免電動閥故障導致的直流系統閉鎖風險。2012年投運的±800 kV同里特高壓換流站，其閥水冷系統中設計時就取消了切換閥門K5， K6和旁通閥門K7，K8。

5 總結

換流站閥水冷系統設計復雜，各類傳感器、閥門、管道接頭及旋轉設備較多，且由閥水冷系統故障導致的直流系統停運占直流系統閉鎖停運的比率較大，因此應加強對閥水冷系統的隱患分析和治理〔10〕。基于ABB技術的閥冷系統，由于未考慮運行實際，其主循環回路中設計的切換閥門和旁通閥門，不僅加大了設備投資，而且增加了直流系統的閉鎖風險。在運換流站建議斷開切換閥門和旁通閥門的控制電源和電機電源防止閥門誤動，后續新建換流站的閥水冷系統設計時應取消主循環回路中的切換閥門和旁通閥門。

〔1〕趙畹君.高壓直流輸電工程技術〔M〕.北京:中國電力出版社，2009.

〔2〕段濤，楊斌，李賢慶，等.±500 kV換流站閥水冷系統隱患分析治理〔J〕.電力系統保護與控制，2014，42(18):132-138.

〔3〕田慶.直流輸電工程閥水冷系統缺陷分析〔J〕.高壓電器，2012，48(8):80-85.

〔4〕羅德彬，汪峰，徐葉玲.國家電網公司直流輸電系統典型故障分析〔J〕.電網技術，2006，30(1):35-39.

〔5〕國家電網公司運行分公司.換流站單雙極閉鎖報告匯編〔M〕.北京:中國電力出版社，2009.

〔6〕李愛生，朱韜析.直流輸電工程中閥水冷監控系統的改進建議〔J〕.電力系統保護與控制，2010，38(16):153-156.

〔7〕國網湖南省電力公司檢修公司.鵝城換流站運行規程〔S〕.2014.

〔8〕國網運行有限公司.高壓直流輸電崗位培訓教材輔助設備分冊〔M〕.北京:中國電力出版社，2009.

〔9〕國網運行有限公司.鵝城換流站2008年2月3日極I內冷水系統泄漏保護動作分析報告〔R〕.2008.

〔10〕姚其新，饒洪林.換流站閥水冷系統隱患分析及治理〔J〕.華中電力，2010，23(5):56-58.

Analysis of hidden dangers on motor valve of main circulating loop in HVDC valve cooling systems

HUANG Chen，LIU Yuan，KANG Wen

(State Grid Hunan Electric Power Corporation Maintenance Company，Changsha 410007，China)

Taking the example of the valve cooling system at Echeng converter station，by analyzing the control logic of motor valve in the main circulating loop，the hidden dangers that may cause DC system block are pointed out in the paper. Countermeasures are presented to avoid potential DC system block due to motor valve faults and ensure the safe operation of the converter station.Recommendations on the future design of the valve cooling system for the new converter station are given and can be used as reference for other converter stations.

HVDC；converter station；valve cooling system；motor valve；hidden dangers；DC block

TM721.1

B

1008-0198(2015)06-0044-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.06.012

2015-04-21 改回日期:2015-07-09

黃晨，男，漢族，湖南郴州人，工程師，大學本科學歷，從事高壓直流輸電系統運行維護工作。