基于煙霧和紫外檢測的高壓直流換流閥火災探測系統

王 抗，鄭衛紅，劉建國，常聚忠

（國網湖北省電力有限公司檢修公司，湖北 武漢 430050）

0 引言

高壓直流換流閥（可控硅）是直流輸電工程的“心臟”，可實現交流和直流的變換功能。換流閥長期運行于高電壓、大電流，任何元部件的故障或電氣連接不良，都有可能引起局部過熱，絕緣被破壞，產生電弧和引起失火。世界上投運的直流輸電工程曾發生多起換流閥著火事故，因此必須換流閥必須配置先進可靠的防火系統[1]。

1 換流閥結構簡介

目前直流輸電工程的換流閥塔均采用懸吊式設計，即換流閥通過絕緣子懸吊在閥廳頂部的鋼梁上。換流閥塔主要包括晶閘管組件、電抗器組件、屏蔽罩、懸吊支撐結構、閥避雷器等，通過PVDF冷卻水管、連接母線、光纜等實現與冷卻系統、直流輸電系統其它一次設備以及二次控制系統的連接。

每個晶閘管組件由晶閘管、RC阻尼回路、直流均壓電阻、TCU、散熱器、聚偏氟乙稀（PVDF）水管、夾緊帶（玻璃纖維環氧樹脂）、電容支架、鋁橫梁及相關導流回路連接而成，其物理結構如圖1所示。

2 換流閥火災危險分析

換流閥在運行中產生大量熱量，導致晶閘管組件內元部件結溫升高。而換流閥組件又是由大量的塑料、合成材料和非導電體組成，極易引起元部件嚴重發熱從而引發著火燃燒。對閥塔而言，燃燒會自然惡化形成煙囪效應。因此換流閥組件的元部件在前期設計階段必須具備可靠的防火性能，在閥塔內任何初期的燃燒在換流閥保護跳閘之前應不會蔓延，并且一旦斷開電源后火勢會自行熄滅[1]。同時配置靈敏性極高的火災探測系統，在發生火災后立即閉鎖換流閥。

圖1 換流閥晶閘管組件結構圖Fig.1 Converter valve thyristor assembly structure

2.1 換流閥廳結構分析

換流閥塔懸掛在閥廳內，閥廳為一個封閉的環境。從失火看運行設備封閉意味著一旦失火，毒氣、腐蝕性煙霧和熱量不能擴散并隨即影響其他設備，這時如果閥廳的結構材料有助于火勢加大，則會使設備更加受到熱量高煙霧的損害[1]。

為減少閥廳失火幾率，在閥廳中應盡可能采用不能燃燒的結構，如果不能實現，則須同時考慮滅火措施，采用能防止著火爆炸的結構。對于閥廳結構，不僅要規定采用非可燃性材料，還應要求結構材料具備耐火性能[1]。閥廳的建筑結構同時考慮既能助減火勢又能便于維護，同時安裝排煙系統，使之能在滅火時排除煙霧。閥廳應配置空調系統，將閥廳相對濕度控制在60%以下。

2.2 換流閥防火分析

換流閥在電氣設計、材料選擇和機械設計方面必須采用提高換流閥防火性能的措施[1]。

換流閥材料選擇時，充分考慮材料的阻燃性能，采用無油化設計。閥內的非金屬材料都是阻燃的，并具有自熄滅性能。在不降低材料其它必備的物理特性（比如機械強度和電氣絕緣特性等）的條件下，所有塑料中添加有足量的三氫化鋁(ATH)阻燃劑。換流閥所選的非金屬材料具有自熄滅特性，這意味著在燃燒源切斷后，火會迅速熄滅，并且燃燒的滴落物不會造成火勢蔓延[1]。光纖放置在光纖槽內，光纖槽采用的是阻燃材料，而且在光纖槽的底部和光纖與晶閘管級的連接處，還有阻燃的密封膨脹材料，以隔絕火的擴散。表1為換流閥防火措施分析表，這些措施可以保證光纖的安全使用。

3 火災探測系統介紹

為提高換流閥和閥廳的防火能力，在閥廳內必須裝設完善的火災探測系統，其中基于空氣采樣原理的極早期煙霧探測系統（VESDA系統）和基于紫外光檢測原理的探測系統（紫外探測系統）獲得廣泛的應用。

3.1 極早期煙霧探測原理

VESDA是“Very Early Smoke Detection Apparatus”的縮寫，即“早期煙霧探測設備”，通常也稱為吸氣式或空氣采樣式煙霧探測器。該系統主要基于光學空氣監測技術和微處理器控制技術，在火災初期能靈敏地探測煙霧、電弧生成物以及空氣中的燃燒生成微粒，產生報警，從而消除火災隱患，使火災的損失降至最小[1]。

VESDA系統是一種收集空氣采樣的管網，并將采樣數據送到遠方進行分析的早期火警探測裝置。該裝置通過一個自帶的過濾裝置，濾除空氣中常規大分子及粉塵，將燃燒前期產生的大量小分子微粒收集起來，檢測這些濃度極小，直徑小于微米級微粒的存在，探測出早期火情。VESDA系統可與中央火災報警控制裝置進行信息交換，同時將信息輸出送至控制室后臺管理機，并產生報警，然后通過中央火災報警控制裝置聯動相應的消防系統。

表1 換流閥防火措施分析表Tab.1 Analysis of fire protection measures for converter valve

3.2 紫外光檢測原理

物質燃燒時，在產生煙霧和放出熱量的同時，也產生可見或不可見的光輻射。火焰探測器又稱感光式火災探測器，它是用于響應火災的光特性。即擴散火焰燃燒的光照強度和火焰的閃爍頻率的一種火災探測器。根據火焰的光特性，紫外光探測器對波長較短的光輻射比較敏感。紫外光探測器是敏感高強度火焰發射紫外光譜的一種探測器，它使用一種固態物質作為敏感元件。

紫外光探測器對火焰發射的紫外線輻射響應迅速，考慮到太陽輻射大量的紫外線成分，因此紫外光探測更適應安裝在室內。為了避免煙霧對探測器的影響，紫外光探測器應安裝在距離閥廳頂面1 m的位置。

3.3 火災探測器配置原則和要求

極早期煙霧探測系統對煙霧敏感，紫外探測系統對明火及電弧敏感。兩種不同原理的探測器應能滿足閥塔設備全覆蓋為原則進行布局。當閥塔設備著火時，應有兩種不同原理的探測器同時檢測到火災時，允許動作跳閘（閉鎖高壓直流系統）。采用極早期煙霧報警和紫外探測兩類報警信號同時發生作為閉鎖直流的判據，既可以防止誤動，也可以防止拒動。任意探測器監測到異常時應能夠及時發出報警信息。

閥廳內極早期煙霧探測系統的采樣管道布置，以探測范圍覆蓋閥廳全部面積為原則，至少要有2個探測器檢測到同一處的煙霧。在閥廳空調進風口處裝設煙霧探測探頭，啟動周邊環境背景煙霧濃度參考值設定功能，防止外部燒秸稈等產生的煙霧引起閥廳極早期煙霧探測系統誤動。極早期煙霧探測系統一般分為 4級報警，分別是警告、行動、火警1和火警2，采用火警2(最高級別報警)作為跳閘信號。

閥廳紫外探測系統的探頭布置完全覆蓋閥廳面積，閥層中有火焰產生時，發出的明火或弧光能夠至少被2個探測器檢測到。

3.4 火災探測系統保護配置

直流換流站每極閥廳火災探測系統保護配置由極早期煙霧探測器、紫外探測器、電源回路、信號擴展傳輸回路、火災報警判斷邏輯等組成。

閥廳火災探測系統一般主要配置為VESDA煙霧探測器8個，紫外火焰探測器10個。其中8個VESDA煙霧探測器中的7個安裝于閥廳內6個閥塔頂部鋼構架上，以實現對閥廳內特別是閥塔上方空間的煙霧檢測；1個安裝于閥廳空調的進風口風道內，實現對進入閥廳內空氣的煙霧檢測功能。10個紫外火焰探測器，均勻分布在閥廳四周的墻壁上，實現對相應區域內紫外火焰的檢測功能。閥廳火災探測器分布圖如圖2所示。

VESDA系統包括VLP激光探測器及采樣管網、VESDA中央管理器Programmer及顯示模塊Display、后臺管理機系統、消防系統總控制盤系統。紫外光探測器由紫外光探測器、監視模塊、消防模塊端子箱和控制模塊組成。

圖2 閥廳火災探測器分布圖Fig.2 Valve hall fire detector distribution map

每個VESDA探測器或每個紫外探測器檢測到的信號輸出3個火警硬接點，一路送至火災監視報警系統，另兩路串聯后由就地的VESDA擴展箱分為A、B兩路110 V直流信號，通過閥廳火災報警匯控箱分別送至閥廳消防接口屏的A、B裝置，然后送給相應極的高壓直流控制保護系統。極早期煙霧探測系統和紫外探測系統發出的跳閘信號直接送到冗余的直流控制保護系統(不經過火災中央報警器)，由直流控制保護系統執行跳閘閉鎖命令。

直流換流站閥廳火災保護跳閘邏輯考慮兩種情況：一是閥廳內所有極早期煙霧探測傳感器有一個檢測到煙霧報警，且同時閥廳內所有紫外探頭中任一個檢測到弧光，當上述兩個條件同時滿足時允許跳閘出口；二是若進風口處極早期傳感器監測到室外煙霧時，閉鎖極早期系統的跳閘出口回路（避免因閥廳外環境因素引起火災報警系統誤動）。在進風口處極早期傳感器監測到煙霧的情況下，若有2個及以上紫外探頭同時發出報警，仍允許跳閘出口。

4 案例分析

4.1 換流閥觸發板TFM著火分析

2013年 05月25日某換流站極Ⅰ高端閥組“閥廳空氣采樣、晶閘管BOD動作”報警。運維人員現場檢查發現極Ⅰ高端閥組Y/Y-B相第二層（從上向下）閥塔有零星火光，立即手動緊急停運極Ⅰ高端換流閥。

現場檢查發現極Ⅰ高端Y/Y B相閥塔閥組件2個可控硅、10個TFM觸發板及框架、68根觸發回報光纖、光纖保護套等燒毀，1根水冷電阻水管損壞。經分析認為起火點為極Ⅰ高端Y/Y B相閥塔第二層（從上至下）第45號TFM板卡，該TFM板卡起火后元件損壞造成放電，導致相鄰TFM板卡和光纖著火以及第43號晶閘管水冷電阻冷卻水管燒損漏水。

此次故障暴露出的問題為：一是換流閥觸發板TFM存在質量問題，設計方面取能回路串接在晶閘管阻尼回路中，工作電壓較高、工作電流較大，且保護設計不充分，存在TFM板無保護的情況，導致元件發熱起火；二是觸發板TFM阻燃設計不充分，當單個TFM板故障起火時，不能及時切除故障回路或隔離故障元件，反而造成火勢橫向、縱向蔓延；三是觸發板TFM運行溫度較高存在安全隱患；四是閥廳火災消防系統僅投入報警功能，未投入跳閘出口功能。

4.2 換流閥阻尼電容著火分析

2013年06月15日某換流站極Ⅱ低端換流閥“閥廳空氣采樣、晶閘管BOD動作”報警。運維人員現場檢查發現極Ⅱ低端Y/D A相閥塔第二層有火苗，立即手動緊急停運極Ⅱ低端換流閥。

現場檢查發現極Ⅱ低端Y/D A相閥塔A4晶閘管阻尼電容故障開裂，臨近3只電容器有灼傷，觸發回報光纖30根燒損。經分析認為故障起始點為A4晶閘管阻尼電容器，該電容器內部故障導致鋁質外殼開裂后起火，進而引起相鄰A5組件觸發和回報光纖燒損，附近3個電容器外殼灼傷。

本次故障直接原因為電容器生產質量問題，未考慮防爆設計，故障時無法及時退出運行，最終將造成電容器爆裂。應當安裝具有防爆設計的電容器：當電容器短路、發熱造成內部氣壓達到一定值時，電容器外殼防爆褶皺圈被拉伸，內部電容器單元間的硬連接線被拉斷，故障電容器將及時退出運行，避免故障擴大。

此次故障暴露出的問題為：一是阻尼電容器在設計、選材、工藝等方面存在質量缺陷，未充分考慮防爆、阻燃、損耗等設計；二是閥廳火災消防系統僅投入報警功能，未投入跳閘出口功能，在檢測器檢測到火苗時，未及時動作出口閉鎖換流閥。

5 結論

極早期煙霧探測系統和紫外探測系統是目前國內直流換流站閥廳比較普遍采用的設備，通過近幾年的運行經驗，均起到了比較好的實踐效果。通過完善的閉鎖邏輯判據可以有效地防止誤跳閘，但是探測器屬于精密儀器，易受周圍環境的影響，在實際運行中存在誤報警的風險，因此需要運維值班人員及時采取有效的隔離措施，防止引起設備誤跳閘。同時每年利用設備停電的有利時機，由專業人士采用專業儀器對探測器的性能進行檢查，以確保其正常運行，以此提高高壓直流系統可靠運行性能。

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[1]趙畹君.高壓直流輸電工程技術[M].北京：中國電力出版社,2004.ZHAO Wanjun.HVDC engineering technology[M].Beijing：China Electric Power Press,2004.