特高壓直流輸電換流閥防滲漏技術研究

肖 晉，李 申，王 艷，李華君，仇宇舟

(1.許繼集團有限公司，河南 許昌 461000；2.中國電力科學研究院，北京 100192)

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特高壓直流輸電換流閥防滲漏技術研究

肖 晉1，李 申1，王 艷1，李華君1，仇宇舟2

(1.許繼集團有限公司，河南 許昌 461000；2.中國電力科學研究院，北京 100192)

由于換流閥水路冷卻系統滲漏而引起現場強迫停運事故屢有發生，對電網安全、穩定運行產生了較大影響。為了減少換流閥水路冷卻系統滲漏概率，重點分析換流閥滲漏的原因，并提出了相應的防滲漏設計和防滲漏工藝措施，確保了換流閥長期可靠、穩定運行。

高壓直流輸電；滲漏原因；防滲漏設計；工藝措施

特高壓直流輸電在解決電網兼容、異步電網、遠距離輸電和電力電纜傳輸中取得了廣泛應用，直流輸電在我國電網構成中，特別是在“西電東送”“北電南送”和“五縱五橫”的電網建設中發揮了巨大的作用[1]。到2020年，國家電網公司將建成27項特高壓直流輸電工程[2]。通過這些工程能夠連接大型能源基地與負荷中心，實現電力的遠距離、大規模和高效率輸送。

目前，投運的換流站閥塔自2006年1月1日以來，由于閥塔漏水導致單雙極閉鎖3次，閥塔水管漏水異常7次。因此，提高換流閥防滲漏技術對提高換流閥設備的可靠運行起著重要的作用。本文針對換流閥水路冷卻系統滲漏的原因、防滲漏的設計和防滲漏工藝措施等幾方面展開研究，以確保換流閥乃至整個直流輸電線路長期、安全可靠運行。

1 換流閥閥塔水路冷卻系統滲漏原因

1.1 密封圈和水管接頭長期老化導致滲漏

密封圈密封不僅結構簡單、安裝方便，而且密封可靠，廣泛用于換流閥水路冷卻系統密封；其通過壓緊密封圈，使密封圈變形，從而在密封面處實現密封。但由于密封圈長期處在高電場環境下，因而長期使用會出現不同程度的老化，密封圈材質彈性劣化，

密封面接觸強度下降，導致密封效果變差，造成換流閥閥塔在運行過程中出現滲漏現象。

有的水管接頭采用塑料材質，尺寸較小，長期使用引起老化強度降低，導致出現斷裂現象，并發生滲漏(見圖1)。

圖1 水管接頭老化滲漏

1.2 水路接頭緊固力矩變小導致滲漏

如果換流閥閥塔水路采用較小口徑的管路，則與之配套使用的水路接頭也采用小口徑塑料接頭形式，水管接頭強度較小，使用密封圈線徑較小，因而水管接頭緊固力矩很小(一般約為1 N·m)。水管接頭由于緊固力矩很小，所以受外界影響較大，容易造成由于接頭緊固力矩變小而出現滲漏現象(見圖2)。

圖2 水管接頭力矩變小出現滲漏

1.3 水路設計不合理導致滲漏

如果換流閥水路冷卻系統的水管和其他固定件距離太近，在現場運行過程中，閥塔振動會使水管和固定件不斷產生摩擦，最后導致水管破裂而發生漏水。如果冷卻水管采用軟質材料， 水管空間走向無法定位，水管之間存在互相摩擦，則存在水管摩擦破裂而引發滲漏隱患(見圖3)。除此之外，水路設計時為了最大限度追求冷卻效果，常常采用并聯水路設計，也會帶來水路接頭過多，從而增大滲漏的隱患。

圖3 水管彼此摩擦導致滲漏

1.4 內冷循環系統頻繁起停導致滲漏

內冷循環系統由于檢修或其他故障，需要對閥塔內冷循環系統頻繁起動、停止，因而導致管路內部壓力突變，接頭松動，接頭處發生漏水。

1.5 水管現場安裝工藝不到位或質量缺陷導致滲漏

在現場水管安裝過程中，由于現場安裝工藝執行不到位，水管接頭處密封圈沒有正確安裝入位或者水管接頭處存在安裝應力，導致換流閥運行后出現局部滲漏情況。另外，水管本身材質缺陷、焊接缺陷和加工缺陷等質量缺陷也是導致換流閥水路系統發生滲漏的原因。水管焊接缺陷導致漏水如圖4所示。

圖4 水管焊接缺陷導致漏水

2 防滲漏設計

換流閥水路系統是保證換流閥可靠運行的有力保證，但是水路系統一旦發生泄漏，就會出現由于短路而引發電弧的隱患，甚至可能會導致換流閥起火等重大災難。因此，換流閥水路設計不僅要考慮高的產品可靠性，而且要考慮一旦發生泄漏，能夠將損失程度降到最低。

2.1 優化管路接頭連接方式

由于塑料和金屬熱膨脹系數不同，水管接頭應盡量采用金屬接頭，以減少塑料接頭和金屬接頭配合使用。采用大尺寸的金屬接頭連接(見圖5)，密封圈緊固力矩較大，不易發生由于接頭力矩減小而導致漏水。

圖5 金屬接頭

2.2 優化水路設計

2.2.1 閥塔水路優化設計

閥塔水路接頭應盡量布置在閥塔外側，遠離功率元件，一旦位于上層管路接頭漏水，可最大限度避免水直接滴落到位于下層的功率元件，最大程度地避免由于滴水導致功率元件短路引發電弧，甚至引起火災的安全隱患。本文設計閥塔水路自上而下環繞布置在閥塔外側，閥塔頂部進出S型水管布置在閥塔中央(見圖6)。

圖6 閥塔水路

2.2.2 閥組件水路優化設計

管路設計應盡量采用串并聯管路設計方式(見圖7)，這樣可以同時具有并聯水路散熱效率高，串聯水路均流性好、管路接頭少的優點。減少接頭數量是降低換流閥水路系統滲漏最有效和最直接的方式。設計中，每增加1個接頭就會增加1個潛在滲漏點，所以在滿足散熱要求的前提下，應最大程度地減少接頭數量。

圖7 串并聯管路設計

2.3 優化管路固定方式

由于電抗器在通流過程中發生振動，導致換流閥閥塔水管也存在不同程度振動，因而水管材質應盡量使用硬質材料，以避免振動引起的變形。如果采用軟管材料，在水管接觸或固定位置必須加裝保護帶(見圖8)，以避免水管由于振動發生磨損，導致水管破裂而發生泄漏。

圖8 加裝保護帶

2.4 設計閥塔漏水檢測裝置

閥塔中設計有專用漏水檢測裝置(見圖9)。漏水檢測裝置可以布置在閥塔底部，通過收集閥塔滲漏的水量實時監測換流閥漏水，根據漏水情況將信息反饋到后臺控制系統中，控制系統根據漏水情況可以發出報警或跳閘信號，防止閥塔由于漏水引發電流短路，甚至引發火災等安全事故。閥塔漏水檢測裝置主要通過集水盤收集閥塔滲漏的冷卻水，借助專用結構將漏水量轉化成信號傳輸到閥控系統。

圖9 漏水檢測裝置

2.5 防水裝置設計

為了有效避免電氣元件遇水而發生電氣短路，可以在電氣元件外部設置防水裝置(見圖10)，也可以在每層功率元件下方設計集水盤，如果該層組件水路接頭漏水，通過集水盤將水收集，并將水直接排放到漏水檢測裝置處，通過漏水檢測裝置將信息反饋到后臺閥控系統，閥控系統通過漏水量發出報警或跳閘指令。

圖10 電氣元件外部設置防水裝置

3 防滲漏工藝措施

針對現存的水管滲漏問題的隱患，應嚴格控制產品工藝。

3.1 嚴控水管加工工藝

水管及管件應采用經過工程長期驗證成熟的相關產品。水管的加工、運輸和存儲均應符合嚴格的工藝要求。水管的焊接應采用專用全自動焊機，按照專用焊接工藝進行焊接，以確保水管批量生產質量。

通過水管零件、組部件和閥塔整體水壓試驗三重保障，確保換流閥水路冷卻系統可靠運行。

3.2 嚴控安裝工藝

應嚴格執行現場水管接頭安裝工藝，并由專人進行緊固。

緊固后，應劃線標識。安裝結束后由專人進行復檢，年度檢修時檢驗接頭位置是否松動。

3.3 加強現場操作管理

如果現場需要對閥塔進行放水、補水工作，應嚴格按照現場操作要求，避免管道內部由于負壓而導致密封圈失效。

換流站現場運行應嚴格控制水冷系統主泵起停頻率和次數，盡量減少主泵起停對管路接頭水壓沖擊。

4 結語

本文主要對換流閥閥塔滲漏原因進行了分析研究，并針對閥塔滲漏原因提出從閥塔水路防滲漏設計和防滲漏工藝，并在現有特高壓直流輸電工程中進行了大量驗證。驗證結果表明，本文提出的觀點是可行的，對換流閥閥塔防滲漏效果是非常有效的。后續還需從以下幾方面進行更加深入研究：1)進一步優化閥塔水路結構，研究更加高效的散熱方式，在滿足散熱要求的前提下減少接頭數量；2)進一步研究性能更加可靠的密封方式，提升管路密封可靠性和穩定性。

[1] 劉振亞.全球能源互聯網[M].北京：中國電力出版社，2015.

[2] 王旭輝.國網2020年全面建成堅強智能電網[N].中國能源報，2013-01-14(18).

責任編輯 鄭練

Study on Anti Leakage Technology of HVDC Converter Valve

XIAO Jin1, LI Shen1, WANG Yan1, LI Huajun1, QIU Yuzhou2

(1.Xuji Group Corporation, Xuchang 461000, China; 2.China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

Because of the converter valve leakage of water cooling system, it causes the filed forced outage accidents occurred frequently, and influences the security and stability of power grid operation. In order to reduce the leakage probability of water cooling system, focus on the analysis of the reasons for the leakage of the converter valve. Put forward the corresponding anti-leakage design and anti-leakage technology measures, and then ensure the long-time reliable and stable operation of converter valve.

HVDC transmission, leakage reasons, anti-leakage design, technological measures

TB 21

A

肖晉(1981-)，男，碩士，工程師，主要從事電力設備結構設計等方面的研究。

2016-07-21