高壓直流換流閥水冷卻系統常見缺陷分析及對策

閆迎，晏桂林，郝劍波

（國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

高壓直流換流閥水冷卻系統常見缺陷分析及對策

閆迎，晏桂林，郝劍波

（國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

閥冷系統作為高壓直流輸電換流站內最主要的輔助設備，對換流閥的正常運行至關重要。以廣泛應用的換流閥水冷系統為例，結合部分因水系統異常引發的直流輸電系統運行事故案例，總結了典型的幾類閥冷系統缺陷類型，給出事故預防的對應策略，為提高閥冷系統的運行可靠性提供參考。

換流站；閥冷卻系統；缺陷分析；預防措施

換流閥在換流站中承擔著交—直流轉換的功能，是換流站的核心設備。由于閥內部可控硅元件在運行過程中將產生大量的熱，為保證元件的正常使用，需要為其配置專用的冷卻系統〔1〕。目前，閥水冷卻方式因冷卻效率高、占地面積小等優點，成為應用最廣泛的冷卻方式，據此，提高冷卻水系統的可靠性對保障換流閥的安全具有重要作用〔2〕。

然而，國內部分直流輸電工程的運行經驗證明，閥水冷系統故障已成為影響換流站運行安全的重要因素之一，當水冷系統發生故障時，輕者引起輸電功率的降低，嚴重者引起直流閉鎖停運甚至閥片受熱損壞〔3〕。為此，開展閥水冷系統常見故障類型的歸納分析，確定適宜的預防應對措施，對于保障換流閥的穩定工作尤為重要。

1 換流閥水冷系統簡介

1.1 閥冷系統結構

為了最好的提高換流閥的冷卻效率，一套完善的閥水冷系統主要由圖1所示的閥內水冷和閥外水冷兩部分組成〔4〕。

圖1 閥冷系統結構介紹

閥內水冷系統主要由主循環泵、過濾器、膨脹罐、離子交換器、冷卻塔等組成。作為一個相對密閉的循環系統，內冷卻水在換流閥內吸熱升溫后，由循環水泵驅動進入冷卻塔內的換熱盤管，在塔內經外冷水噴淋盤管表面降溫后由再次進入換流閥，重復下一個過程。另外一小部分內冷水被送去接受去離子、過濾等處理，滿足換流閥對水質的要求。對此，整個內冷水系統又可以分為水循環、水處理兩部分回路。

閥外水冷系統主要由軟化單元、反滲透場、加藥系統、噴淋系統等組成。為了防止噴淋水在盤管外表面產生結垢現象，外部源水經過軟化反滲透處理并除去水中的鎂、鈣和金屬離子，水質合格后流入冷卻塔對內冷水進行降溫。

1.2 閥冷系統監控

為保證冷卻系統的可靠運行，每套換流閥還設有完善的監控系統，重點實現以下功能〔5〕:

1)監視功能。主要監視內冷水的進出水溫度、流量、壓力、電導率、膨脹水箱水位、外冷水池水位，以及水泵、風扇等旋轉設備的運行情況，一旦發現異常，則啟動告警提示運行人員。

2)控制功能。主要完成主泵及外冷水噴淋泵的起停和切換、平衡水池水位和膨脹罐壓力的調節、冷卻塔風扇轉速控制、閥門設備的位置改變等功能。

3)保護功能。主要有泄漏保護、溫度保護、流量保護、水位保護、壓力保護、電導率保護等。當發現異常時動作信號被直接送至保護系統的出口繼電器，停運直流輸電系統。

2 常見故障分析及預控

從上面介紹可以看出，閥水冷系統的組成比較復雜，涉及元件比較多，工作過程也較繁瑣，當任一環節出現異常時，都有直接影響到換流閥的正常工作。下面對其在運行中常出現的一些故障進行介紹。

2.1 冷卻水滲漏或泄漏

在整個水冷系統中，在法蘭、閥門、電極、傳感器、主循環泵軸承等管道連接或設備安裝部位大量使用密封墊來保證密封。在長期的運行過程中，由于密封墊老化、安裝位置偏移、緊固螺絲的松動等原因，這些部位最容易出現內冷水的滲漏，當滲漏比較嚴重時甚至可以引起泄漏保護動作，造成運行極閉鎖〔6〕。

2006年廣州站先后發生因均壓電極墊圈腐蝕和均壓電抗墊圈腐蝕導致的系統漏水事故，分別引發極Ⅰ閥塔漏水告警和極Ⅱ閥塔漏水告警。

2007年葛洲壩站因極Ⅱ內冷水系統主泵軸承損壞，致使陶瓷密封圈破裂而漏水導致直流閉鎖。

2008年靈寶站因LLT閥A相電抗器冷卻水管接頭處振動松脫漏水，造成膨脹罐液位急劇下降引起保護動作直流閉鎖。

另外，鵝城站極Ⅰ也曾發生過因Y/Y C相閥塔頂部內冷水水管法蘭處螺絲振動松動，致使彈簧墊圈松動漏水造成直流停運事故。

反措或建議:1)換流閥安裝期間，水系統各管道接頭處應用力矩扳手緊固，并做好標記，各水管安裝完畢后要進行冷卻水管道壓力或檢漏試驗，及時修復漏水點。2)在水系統運行中要加強對重點設備的巡檢，按固定時間定期記錄內冷水的水位，做好閥門的緊固檢查和橡膠墊的定期更換。3)檢修期間應對內冷水系統水管進行檢查，發現水管接頭松動、磨損、滲漏等異常要及時分析處理。

2.2 重要設備供電隱患

換流閥水冷系統中對供電要求最高的主要是主循環泵、噴淋泵，當這些設備的供電出現問題時，內冷水的流量將會由于主泵工作異常而降低，或者內冷水的溫度由于噴淋泵的停運而快速升高，從而對直流系統的運行帶來危險〔7〕。

2002年，天生橋站在1臺噴淋泵失去電源后，備用泵未能及時切換并啟動，造成內冷水溫度升高極Ⅱ停運。

2005年，政平站因控制保護系統ACP71/72自動切換失敗，站用電全部丟失，導致閥內冷水主循環泵停運，內冷水流量低保護動作，造成雙極直流系統閉鎖。

2006年，靈寶站LTT閥水冷系統2臺主泵電機在定期自動切換過程中，由于主泵電源空氣開關過載定值與主泵啟動電流設置不匹配，致使2臺主泵先后過載跳閘，造成內冷水系統停運，直流系統閉鎖。

2007年，宜都站極Ⅰ內冷水1號主泵因變頻器故障導致電機失電，隨后切換到2號主泵運行。后續由于2號主泵報過熱故障，造成極Ⅰ流量保護動作跳閘，極Ⅰ閉鎖。

反措或建議:1)對于主泵電機等重要驅動設備，必須嚴格執行兩路不同母線電源供電方式，同時還可考慮另加大容量UPS作為備用電源。當雙路進線均失電時，迅速轉為UPS供電，直至電源恢復。2)對各段電源或設備自動投切裝置要定期進行檢查和試驗，保證切換配合時間、開關靈敏度、定值設置等滿足閥冷系統的運行要求。3)對采用變頻器驅動的設備，由于變頻器的長期在線運行故障幾率高，直接影響到電機的可靠運行，這種情況要及時將變頻器替換為軟啟動器來控制各電機的啟停。

2.3 外冷水系統結垢

源水經過軟化、反滲透等處理成為合格的外冷水后，加入冷卻塔內對內冷水進行冷卻。但是當反滲透膜堵塞、反滲透膜管中氣體含量超標、軟化罐中離子交換樹脂失效，或者源水的水質較差、渾濁度較高時，處理后的外冷水中鈣、鎂等離子含量將會超標，長期使用會在冷卻塔冷卻片、噴淋頭等處結成很厚的水垢，降低對內冷水的冷卻效果〔8〕。

葛洲壩、楚雄、龍泉、江陵等換流站都曾出現過因源水硬度、堿度、鹽類含量超標，導致外冷水處理困難，反滲透膜損壞，使得冷卻器管外表面結垢或噴淋頭部分堵塞，降低了外冷水的冷卻效率，最終導致換流閥溫度過熱超標。

反措或建議:1)換流站方面要盡量采用水質較好的源水，在源水使用前可采取除鹽、除鈣、添加化學藥品等措施對其預處理，提高源水的品質。2)可考慮在噴淋水系統處安裝硬度檢測探頭，當檢測到的噴淋水硬度過高時，相應的通過排污換水加大棄水量來降低噴淋水硬度。3)運行人員要加強對外冷水系統特別是反滲透膜和噴淋塔的巡視力度，發現反滲透膜失效和噴淋塔結垢情況要及時組織人員進行處理。

2.4 傳感器監測參數失真

水溫、水壓、流量、水位等傳感器的使用，為水冷系統的監測提供了便利。但是在運行中，若傳感器精度降低或損壞、接線端子松動、底座安裝不牢或者環境電磁干擾嚴重，可能會使實際值與監測值之間存在較大的誤差，造成保護誤報警或誤動作。

2004年高坡站因雷電擊中閥廳附近避雷針，造成膨脹水箱水位傳感器工作不穩定而誤判水位偏低，導致極Ⅱ停運。

2007年南橋站因極Ⅰ內冷水某分支流量計長期因振動干擾影響而誤報流量低，導致極I閉鎖。

2009年肇慶站極Ⅱ外冷水池水位傳感器元件因工作不穩定，誤發水位低信號，造成所有噴淋泵停運，導致極Ⅱ內冷水溫度迅速升高而啟動停運。

反措或建議:1)定期對傳感器及其附屬部件如接線盒、屏蔽線纜等進行檢查和校驗，對有問題者及時更換或修復。2)對作用于跳閘的傳感器要按照3套獨立冗余的原則配置，且每個系統在保護上要對傳感器采集量按照 “三取二”原則出口。3)各傳感器電源應由兩套電源同時供電，任一電源失電應不影響傳感器的穩定運行。

2.5 氣泡含量超標導致水壓失穩

循環內冷水主要通過進水管噴射進入不同電位的換流閥組件冷卻室對元件進行冷卻，但是當水中含有大量的氣泡時，氣泡受到高壓壓縮會產生崩潰，在局部產生非常高的沖擊壓力，使管道產生振動和噪聲，嚴重時使閥塔頂部的壓力傳感器檢測到的內冷水壓力偏離整定值而閉鎖直流系統〔9〕。

2006年天廣直流大修工作結束后重新投運閥冷系統后，發現冷卻水中有大量氣泡，而系統配置的14個排氣閥門無法完全將氣體排出，導致內冷水管道壓力不穩，最終不得不強迫停運高壓直流系統進行處理。

反措或建議:1)定期檢查和更換密封件，減少因密封件腐蝕引起的內冷水進氣，同時定期對內冷水開展采樣檢測，監測內冷水的飽和溶解度、酸堿度等參數，若有異常立即處理。2)在管道系統氣體易聚集處增設排氣閥，加快水中氣體外排速度，或者改進排氣閥與主管道的連接結構，提高排氣能力。

2.6 邏輯保護存在缺陷

閥冷系統在運行中設有大量復雜的各類保護，各保護涉及到的傳感器和表計較多，所采用的狀態量也很繁瑣，在設計或安裝過程中如存在參數設置不合理，邏輯關系混淆、動作判據有誤等問題，將會直接影響閥冷系統的正常工作〔10〕。

2002年天生橋站因極Ⅱ極控系統軟件設計缺陷，誤發停運閥水冷卻系統的命令，閥水冷卻系統停運后，極Ⅱ隨即停運。

2010年興仁換流站由于閥冷控制保護邏輯設計缺陷，當部分傳感器供電開關跳開并重新試合時，相應極的極控系統收到閥冷外部保護跳閘信號，導致直流系統強迫停運。

反措或建議:1)要加大對各保護邏輯的排查，利用各種停電機會對各保護進行傳動檢查和升級改造，確保各保護動作報警值符合閥冷實際運行情況。2)為每套控制和保護系統實施雙重化甚至三重化配置，每套配置包括獨立的硬件電路和功能軟件，在保護功能出口邏輯上采用 “三取二”原則，在控制系統中設置測量值異常監視功能等。

2.7 其他故障

另外，閥冷系統的其他常見故障還包括驅動電機皮帶老化、噴淋水系統結冰、保護裝置拒動或勿動等、工作電源諧波嚴重等。

3 結語

閥冷系統作為換流站的重要組成部分，它的性能直接決定著直流系統的安全，必須引起足夠的重視。目前閥冷系統技術發展已比較成熟，運維經驗也愈為豐富，因此對各類缺陷的發生應以預防為主，尤其是注重按照反事故措施的要求開展閥冷系統的隱患排查工作，提前根據系統特點制定相應的事故防范措施，特別要注意冷卻水流量低、內冷水泄漏、冷卻塔腐蝕等常發問題，確保直流輸電系統安全穩定運行。

〔1〕趙畹君.高壓直流輸電工程技術 〔M〕.北京:中國電力出版社，2002.

〔2〕許根富，尚新立.高壓晶閘管換流閥外水冷系統分析 〔J〕.中國電力，2009，42(12):42-43.

〔3〕楊振宇，俞澄一.超高壓直流輸電換流站閥冷卻系統的故障分析 〔J〕.華東電力，38(3):369-272.

〔4〕劉輝.換流站換流閥冷卻系統的選型研究 〔J〕.吉林電力，2012(1):30-32.

〔5〕陶瑜，龍英，韓偉.高壓直流輸電控制保護技術的發展與現狀 〔J〕.高電壓技術，2004，30(11):8-10.

〔6〕倪汝冰，李鋒鋒.閥冷卻系統分析及改進措施 〔J〕.電力技術，2007，28(12):21-24.

〔7〕陳晴，周志超.±800 kV特高壓換流站交流電源系統的優化設計 〔J〕.電力建設，2012，33(4):43-45.

〔8〕王遠游，郝志杰，林睿.天廣直流工程換流閥冷卻系統腐蝕與沉積 〔J〕.高電壓技術，2006，32(9):80-83.

〔9〕孫恒明，鄧本飛，曹繼豐.高壓直流換流閥內冷水系統氣泡導致水壓失穩研究 〔J〕.電力設備，8(9):24-26.

〔10〕陶瑜，龍英，韓偉.高壓直流輸電控制保護技術發展的探討〔J〕.電力建設，2008(1):17-21.

Analysis and Countermeasure of the Water Cooling System Fault for HV DC Converter Valve

YAN Ying，YAN Guilin，HAO Jianbo
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

Valve cooling system is the major auxiliary system in HV DC converter station and it plays an important role in the normal operation of the converter valve.Taking the widely used water cooling system as an example，combining with some DC system operation failures caused by valve-cooling system exception，it concludes some typical defect types.Meanwhile，the corresponding preventive measures are given as references to enhance the operation reliability of the valve cooling system.

converter station；valve-cooling system；fault analysis；preventive measures

TM721.1

B

1008-0198(2017)04-0056-03

閆迎(1985)，男，碩士，工程師，主要研究方向為電力設備故障診斷與處理。

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.04.016

2017-02-15 改回日期:2017-04-24