換流閥水冷系統故障統計及原因分析

劉德慶，何 瀟，郭新良，張勝寒*，何 寬

(1.華北電力大學 環境科學與工程系，河北 保定 071000；2.云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650000)

隨著電力行業的快速發展，電力傳輸技術的發展步伐也明顯加快，提高電力傳輸能力的辦法不斷涌現，其中，高壓直流輸電工程是優化電力傳輸的重要舉措之一。換流閥在高壓直流輸電系統中起重要作用[1]，保障其安全運行是高壓直流輸電的關鍵。換流站的閥冷系統是一種專門設計的循環冷卻水系統，是換流閥系統的重要組成部分，達到給晶閥管等元件降溫的作用[2]。

經過文獻調查發現，關于換流站閥冷系統運行故障方面的研究已有很多，但每篇文獻往往僅局限于某個換流站或某幾個換流站，得出的結論對全國范圍內的換流站來說適用性不大，因此，有必要對全國范圍內閥冷系統故障案例做一個統計分析。通過對文獻數據庫中文獻進行數據挖掘，分析造成閥冷系統故障原因，對閥冷系統故障的預防及解決起到指導作用，對換流站綜合考慮閥冷系統運行狀況具有一定的參考價值。

1 閥冷系統運行故障原因分析

閥水冷卻系統的結構復雜，任何一個環節出現故障，都會影響換流閥的正常運行。造成閥冷系統運行故障的原因眾多，經統計大致分為以下幾類：設備故障、水路問題、設計缺陷、監控系統故障、供電隱患、自然因素、人為因素等。

1.1 設備故障

該方面主要包括了主循環泵故障、變頻器故障、傳感器故障、電源故障和繼電器故障等。現對幾個故障點進行介紹。

1.1.1 主循環泵故障

主循環泵是內冷水系統重要的運行設備，保證冷卻介質的恒定壓力和持續流量。換流閥水冷系統主泵的軸封結構復雜，制造安裝精度要求高，使用不當會出現磨損嚴重、使用壽命短等問題。主泵故障主要表現在異常振動、軸封破損和輸送流量低三個方面[3-5]。引起異常振動的原因有不平衡、軸心偏移、主軸彎曲、基座松動、潤滑油振蕩和轉軸摩擦等。天山換流站曾多次發生軸封更換后初次啟動即破裂的情況，為安裝誤差或者輕度傾斜不能控制壓緊力所致。復龍換流站極Ⅰ高端曾因閥冷主泵流量低跳閘導致強迫停運。

1.1.2 變頻器故障

變頻器是用于需要調速的地方，其輸出時不但改變電壓，而且同時改變頻率[6]。變頻器啟動方式易受外部電壓影響，對于恒定頻率和負荷的設備較為不適合。換流站閥水冷主循環泵啟動方式采用變頻器控制時，變頻器發生故障時，只能切換至備用變頻器啟動回路，若同時故障，將導致主循環泵停運。2007年,宜都站極Ⅰ內冷水1號主泵因變頻器故障，導致流量保護動作。

1.1.3 傳感器故障

閥冷系統的傳感器主要包括流量傳感器、水位傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等。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[7]。當傳感器故障引起流量、水位、溫度和管道壓力測量值異常，超出閥冷定值時，將導致閥組跳閘，影響直流功率輸送[8-9]。2012年12月05日01時23分，穗東換流站極Ⅱ高端閥組因內冷水流量低跳閘，事后檢查發現實為流量傳感器故障引起的誤動。

1.1.4 電源故障

宜都站2007年5月31日極I內冷水兩臺主泵電源故障導致閉鎖[10]。龍泉站曾發生極Ⅱ內冷水MCC盤柜的2號循環泵電源開關A相出線插槽和觸頭燒壞。

1.1.5 繼電器故障

1991年9月12日,南橋站發生直流輸電快速停運的事件。在查找原因時發現，由于外技人員的接線錯誤，導致繼電器吸合不上，造成內冷水電導率測量元件失電，而誤發內冷水電導率高信號[11]。

1.2 水路問題

在水路循環過程中，發生管道堵塞、漏水、殘存氣體、水位變化異常等現象的頻率較高，這嚴重影響了閥冷系統的正常運行。

腐蝕結垢是閥冷系統的主要故障之一，而且這種結垢堵塞對于換流閥的安全運行影響很大。通過實際運行的換流站可知，腐蝕結垢通常發生在均壓電極、傳感器、過濾器、水管接頭、可控硅散熱器等部位[12-18]。若垢樣脫落在內冷水系統中，就會造成水路系統堵塞，水流不暢，降低內冷水效率，嚴重的可燒毀電氣元件，甚至引發火災[19-20]。

均壓電極的電流密度達到某個定值就會生成臭氧，臭氧環境會導致 EPDM 橡膠材質的密封圈被溶解腐蝕[21]。腐蝕后的密封圈失去密封作用，極易造成內冷水泄漏，嚴重時會導致直流系統停運。

在一些運行情況下,內冷水運行時會產生大量氣泡,當氣泡被帶到下游高壓部位后,周圍的高壓會使氣泡絕熱壓縮,迅速崩潰,局部可達到非常高的溫度和沖擊壓力,使液壓裝置產生振動和噪聲,使金屬表面受腐蝕。氣泡在上游位置因排氣閥門不足而導致局部氣體滯留,致使閥塔頂部壓力傳感器檢查到內冷水壓力低于整定值而閉鎖直流系統[22]。

天廣直流系統于2005年5月開始頻繁發生換流閥元件損毀和漏水故障。在2006年大修期間，檢查發現，原有的14個排氣閥不足以排放多余的空氣，造成內冷水壓力低，導致系統停運。

2001年，葛南直流系統，曾出現極1離子罐更換樹脂后．從膨脹水箱放水注入離子罐，由于注入水量連續過大，膨脹水箱水位下降速率超過定值．引發漏水報警動作跳閘[23]。

1.3 設計缺陷

該方面主要包括自切回路設計邏輯不合理、泵房設計不合理等[24-26]。

主泵主備切換邏輯不合理，會影響當運行主泵出現異常需要切換到備用主泵時，通過手動旋鈕會固定在備用主泵，此時主泵失去冗余性，風險較大，嚴重時可能引起直流系統閉鎖。2002年6月13日，天生橋換流站極Ⅱ閥冷系統在1臺噴淋泵失去電源后，備用泵未能及時切換并啟動，內冷水溫度迅速上升，從而導致極Ⅱ跳閘。

繼電器的自切回路設計也會影響換流閥水冷卻系統的運行。1990年南橋站在定期切換站用電時，水冷卻系統切換失敗。經分析發現，原設計的繼電器會出現K2、K5兩路供電電源同時接通瞬間。由于這兩路電源電壓存在相角差,因此會產生很大的環路電流,從而導致兩路供電電源同時跳閘,系統停運。

泵房在設計時，應注意所處地勢，盡量建在較高處。1997年8月7日0時35分，葛洲壩換流站極Ⅱ噴淋泵房進水，極Ⅱ被迫停運兩天。檢查發現潛水泵定子線圈被燒壞。經分析后認為，水泵房設計時，地面偏低，墻接角處密封不好，遇大雨時會有大量雨水涌入泵房，很容易造成積水。

1.4 監控系統故障

閥水冷監控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互。各直流輸電系統中，閥水冷監控系統主要通過冗余配置的可編程控制器(天廣及高肇直流輸電系統中采用SIMATIC S5系統、興安及云廣直流輸電系統中采用SIMATIC S7系統)實現，主系統故障時將自動、快速、平滑的切換至備用系統，兩套系統均故障則啟動直流輸電系統強迫停運[25]。

監控系統參數的設置應與相關設備的實際運行情況相結合，設置合適的參數以保證閥冷系統的正常運行[27-28]。

2004年9月，天廣直流極Ⅱ閥水冷控制系統SIMAllC S5裝置工作性能不穩定。抗干擾性能差，兩套系統在短時間內先后故障，導致極Ⅱ停運。

2006年5月14日，天生橋站用電系統倒換過程中，極I主泵切換不成功，冷卻水管道內殘留有空氣，水壓不能正常建立，導致極I跳閘。經調查發現，主泵切換時主水壓力建壓時間設置偏短(目前設置值為1s)，在某種情況(內冷水內含有空氣時)下，可能出現水壓低造成主泵切換失敗，造成2臺主泵停運，從而直流閉鎖。

2009年8月15日，高嶺背靠背換流站極I因水冷設備廠家給定的閥冷卻系統泄漏保護定值不當(過于靈敏)且未及時發現，在環境溫度變化導致膨脹水箱液面高度變化超過定值情況下，閥泄漏保護誤動，造成極I閉鎖。

1.5 供電隱患

供電隱患多為站用電電壓波動或變電站斷電所造成的。換流閥水冷系統的正常運行，需要平穩安全的持續供電。當站用電電壓波動或變電站斷電造成設備供電出現問題時，會導致主泵工作異常、冷卻性能下降、水溫急速升高等問題，造成系統停運。

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4月9日，鵝城換流站雙極直流水冷系統主水流量低保護跳閘。原因為義和220kV變電站全站失電，導致埔田、湖鎮變電站全站失電、站用電全部丟失[29]。

2009年8月16日，宜都換流站站用電電源電壓波動，極II外冷水噴淋泵、冷卻風扇電源失電全停，造成閥冷卻系統進水溫度高保護動作跳閘，極II閉鎖。

1.6 自然因素

自然因素如地震、冰災、雷擊、暴雨等，很可能造成停運。

2008年6月13日，寶安換流站所在地區普降暴雨。同時引發的山洪，倒灌進雙極閥冷系統的外冷水泵坑，進而淹沒了噴淋泵，引起噴淋泵相繼停運，造成雙極閥冷系統的內冷水溫度不斷升高，最終導致雙極相繼跳閘[30]。

外界氣溫的變化也有可能造成停運。在冬季，直流系統長期停運時，水冷溫度較低，內冷水系統通過旁通回路運行，室外的冷卻塔管道中的水溫很低。當室外環境溫度上升或直流系統剛解鎖時，水冷溫度升高，由旁通回路運行改為經過冷卻塔循環運行，內外水溫的突變將會導致水位急速下降，導致泄漏保護動作引起單極閉鎖[31]。2008年1月龍泉站，由于水溫突變造成水位異常，導致極I極Ⅱ相繼引發泄露保護動作。

1.7 人為因素

換流閥水冷系統中，參數的設置、設備的維護、水路狀態的調節等都需要工作人員的正常操作，而工作人員的疏忽可能會造成嚴重的后果。

2001年8月22日，繼電保護人員在校驗南橋站時誤投壓板，造成交流失電，使得主水泵切換，13s后水冷控制系統誤發漏水信號,雙極同時停運。

2 換流站閥冷系統故障統計與分析

通過文獻數據庫，研究了1990～2018年期間，200余篇已發表的國內文獻中關于國內換流站的故障事件，確定閥冷卻系統引起的故障事件66次。并對故障事件按照故障原因、發生年代等進行分類總結。

對國內換流閥冷卻水系統故障按照三個年代統計，結果如圖1所示。

圖1 換流站閥冷系統故障年份統計圖

對2000年以前，閥冷系統故障原因統計并細分后，結果如圖2顯示。

圖2 2000年之前閥冷系統故障原因統計圖

從圖1和圖2中可知，在 2000 年之前，閥冷系統故障發生的次數不多，原因是 2000 年之前進入投產的換流站不多，有南橋站和葛洲壩站等。在水路缺陷上引起的故障較多，主要包括腐蝕結垢、堵塞現象等。此外，這一時期，換流站運行較少，換流閥的設計還有待完善，一些問題還集中在設計換流閥上。

對2001到2010年之間，對閥冷系統故障統計并細分后，結果如圖3顯示。

圖3 2001到2010年之間閥冷系統故障原因統計圖

從圖1和圖3中可以看出，在 2001年到2010 年期間，國內換流閥閥冷系統故障發生較為頻繁，其主要原因是在這10年中，新建的換流站陸續投產工作，其中有南橋站、天生橋站、鵝城站、廣州站、靈寶站、龍泉站、寶安站、高肇站、宣都站、葛洲壩站和復龍站等，新建的換流閥逐漸增多。隨著這些換流站的投入運行，換流閥的故障也頻繁發生，許多問題也暴露出來。水路缺陷和設備故障占了相當大的比例，表明這兩個方面仍然是換流閥故障的主要隱患。供電隱患的比例增大，表明隨著國家用電量的增加，換流站對電網的穩定性的需求加大。

對2010年之后，閥冷系統故障統計并細分后，結果如圖4顯示。

圖4 2010之后閥冷系統故障原因統計圖

2011年之后，由于距今時間較短，在國內換流閥閥冷系統中的發生的故障次數較少，這說明隨著換流閥的故障越來越受到重視，各種解決方案也隨之起到一定的作用，故障發生次數減少。在此期間主要發生故障的換流站有興仁站、龍泉站、穗東站、德陽站、中州站和金華站等。其主要的故障類型為水路系統的設備故障、水路缺陷和供電隱患，這說明設備的維護、水路系統的不完善以及電網的穩定性仍然是亟需解決的主要問題。

3 結語

(1)換流站閥冷系統的安全可靠直接關系到換流站的運行安全，而閥冷系統的監督檢測和運行保護是系統安全可靠運行的重要措施。

(2)換流站閥冷系統普遍存在一些薄弱環節，詳細分析了閥冷系統的故障原因，主要包括設備故障、水路缺陷、設計缺陷、監控系統故障、供電隱患、自然因素、人為因素等。

(3)對故障事件按照故障原因、發生年代等進行分類總結，發現2001-2010年期間，閥冷系統故障發生較為頻繁。水路缺陷和設備故障占了閥冷系統故障原因相當大的比例，表明這兩個方面是閥冷系統故障的主要隱患。