直流系統換流閥常見故障及處理方法

湖北省電力公司檢修公司交直流運檢中心 劉 　 潯 戴 　 迪 饒洪林 成 　川 艾 　 亮 吳 　 雙

直流系統換流閥常見故障及處理方法

湖北省電力公司檢修公司交直流運檢中心 劉 潯 戴 迪 饒洪林 成 川 艾 亮 吳 雙

隨著我國直流輸電的快速發展，直流輸電設備的國產化水平進一步提高。目前，±500kV常規直流輸電工程已經基本上實現了國產化。結合換流站運行經驗和目前閥控系統存在的缺陷與隱患以及直流設備運行過程中的幾次重大事件，提出改進的建議，希望能夠為國內換流閥設備的運行、維護提供參考依據。

高壓直流；換流閥；閥控；故障

1　 引言

隨著高壓直流輸電技術的快速發展和高壓直流換流站的不斷建設，國產化技術和設備得到了越來越廣泛的應用，目前，核心技術的換流閥設備已經逐步實現了國產化。國家電網公司主要采用的是ABB公司的換流閥技術，如三常、三廣、三上工程。在后期的直流工程，如寧東直流工程等，逐漸開始采用AREVA、SIMENS公司的換流閥技術。這幾種換流閥技術基本已被國內廠家吸收和轉換，現在新建工程基本生產已基本實現國產化。通過多年的運行經驗發現原有設計的不足和缺陷，是保障直流換流站安全穩定運行的關鍵因素。

2　 換流閥設備故障情況分析

國內換流站使用換流閥均采用懸吊式閥塔和水冷卻結構。每個閥塔有多個閥層組成，閥層內串連若干組晶閘管級。各廠家的換流閥結構、元件基本相似，有內部布局各有不同。有統計資料表明，換流閥設備故障率較低，年平均故障率為1.3次/年，需停電處理的故障率為0.21次/年。換流閥設備的停電故障多出現在新設備投運的前兩年中，以后逐漸平穩，在運行超過10年后故障率會逐漸升高。部分設計失誤或安裝工藝問題，往往會造成換流閥閉鎖，直流停運的嚴重后果。

根據運行情況，故障類型、故障原因統計如下圖所示：

2.1 閥控設備故障分析

閥控設備是HVDC分層控制的主要核心之一。其主要目標是將極控系統的控制脈沖發生器產生的電控制脈沖（CP）轉變為光的觸發脈沖（FP）去觸發單閥，實現整流或逆變功能。同時可以實現對閥體本運行狀態的監視功能。出現的故障多為元件故障。

2．1．1 閥控裝置異常

2005年6月，葛洲壩換流站極Ⅱ極控A系統檢測到觸發脈沖丟失系統切換到極控B，極控B也檢測到觸發脈沖丟失，觸發脈沖異常保護啟動跳閘命令，極Ⅱ直流系統閉鎖。故障原因為南瑞繼保生產的極控系統與閥控VBE系統接口裝置RCS9515工作電源不穩定導致觸發脈沖無法發送到VBE。

2．1．2 閥控通訊接口工作異常

寧東直流閥控信息送后臺時需要通過RS232串口轉為光纖，且通訊環節過多，接口各不相同。在調試時期發現運行過程中傳送信號的扁平線受強磁場干擾出現誤發信號的現象，給直流運行帶來極大危害。

2011年7月，靈寶換流站后臺報“單元Ⅱ單閥PSU單元（門極單元電源）故障達2個”報警。閥故障產生后，北京四方監控后臺漏報了部分事件，導致無法對故障晶閘管進行準確定位，對單閥所有晶閘管進行測試后才找到故障點。

2．1．3 閥控單元設計缺陷

高嶺換流站在隱患排查中發現，閥控單元VBE檢查到換流閥存在報警事件時，需要現場運行人員按下插件上的故障確認按鈕進行復位。不確認則系統仍判故障故障存在。當產生在不同位置的瞬時性故障數量達到系統跳閘條件時，VBE會發出跳閘命令。

2.2 閥本體設備故障分析

閥本體主要由串聯的晶閘管級、光纖回路和冷卻水回路組成。閥本體作為換流站核心設備，長期處在高壓運行狀態，當出現嚴重的故障時，需直流停電處理。閥本體本身造價高昂，占換流站總價的1/4，所以閥本體的穩定運行極為重要。

2．2．1 閥本體元件故障

2008年12月葛洲壩換流站極Ⅱ直流系統在額定功率運行過程中，極Ⅱ換流閥保護Y橋差動保護Ⅲ段動作，極Ⅱ直流系統閉鎖。隨后通過檢查發現，極Ⅱ換流閥C相閥塔V22閥被整閥擊穿，此外還有多個晶閘管被擊穿損壞。該故障是由于晶閘管的老化（運行超過19年），晶閘管電耐壓能力降低和漏電流增加造成的。

2．2．2 閥本體安裝工藝不佳

2008年2月，靈寶換流站220kV側LTT閥冷卻系統膨脹罐液位超低保護動作跳閘，靈寶背靠背直流系統閉鎖。檢查發現220kV LTT閥第二層閥塔電抗器元件上小水管接口脫落。對更換下的小水管與正常水管對比分析，發現脫落水管上無明顯卡痕，接頭上雙戒指卡箍安裝時沒有突出部分，接頭無法卡緊。

2．2．3 閥體本內部放電

2008年江陵站對極Ⅱ閥塔進行常規檢修試驗時，發現閥塔內部光纖密封盒發現多根光纖外皮脫落，固定金屬塊和阻燃包上有明顯放電痕跡。原因為光纖槽盒內阻燃包安放在槽盒固定金屬塊附近，在高壓運行環境下兩者之間出現了放電。

2．2．4 閥塔內水管漏水

2010年10月南橋換流站極Ⅰ換流閥D橋差動保護IV段動作。現場檢查發現極1閥廳A相內冷水漏水，登上閥塔后檢查發現極1 A相右側閥塔第2層陽極電抗器水冷電阻水管接頭斷裂，該接頭有明顯受熱熔化痕跡，水冷電阻支架有燒焦痕跡。

3　 換流閥設備常見故障檢查處理方法

3.1 閥控設備故障處理

閥控設備的故障主要是元件故障和通訊接口故障造成的。這要求閥控系統本身要具備完善的自檢能力。根據后臺報文的內容準確定位，判斷故障是出在閥控系統還是閥本體元件，處理時應注意閥控系統多數元件為單一配置，更換前應先申請停電，避免在工作過程中造成直流閉鎖事故。

針對閥控設備的設計錯誤應按照隱患排查要求，早發現早治理。主要是針對閥控與極控不是同一技術路線的情況（如林楓直流工程和靈寶二期工程引入了AREVA的換流閥及控制系統，而極控系統是許繼電氣公司引進的Siemens技術），應全面檢查極控、閥控、閥本體之間的接口設計和保護回路設計是否可靠、完整，是否滿足兩套冗余設計。

3.2 閥本體故障檢查處理

閥本體故障主要是由于閥塔內元件故障或漏水、放電導致的嚴重故障。閥塔內元件冗余量較大，一般單閥內出現一個元件故障無需立即停電處理。主要是通過專用測試儀對單個晶閘管級進行正反耐壓、保護功能測試來判斷故障元件。

水管漏水主要是由于閥塔內振動過大或水管接口設計不合理造成的。應定期檢查水管接頭力矩，水管靠在構架上的應做好接觸面的保護措施，減少振動和摩擦。而出現漏水現象時可能造成閥塔內部短路，擊穿大量晶閘管，對閥本體造成極大的破壞。所以出現漏水后應及時停運，防止故障擴大。在對水回路進行檢修時應考慮閥塔水管排水、排氣、接口密封，閥塔元件防潮，冷卻水電導率控制等問題。

放電現象主要是由于安裝工藝不到位造成的。在大修期間應對電氣接頭和可能出現高壓放電的金屬部分進行檢查。各類金屬構架等應安裝有等位線，以保證塔內電場分布均勻。在出現放電現象后閥廳內部的火災報警系統應能快速報警。當極早期煙霧探測器與紫外探頭同時動作時應能及時發出直流停運的指令，保證閥塔安全。閥塔內雖安裝有防火板，內部均采用阻燃材料，但部分電器元件仍有放電起火的可能。在有較大的明火時應采用窒息法關閉閥廳空調和所有風擋。確認明火熄滅后方可打開大門，防止火焰復燃。

4　 換流閥及閥控制設備的改進建議

目前直流控制保護系統已經實現了國產化，南瑞繼保、許繼電氣和北京四方公司均掌握了直流控制保護的核心技術。國內換流閥一般由西電集團、電科院、許繼電氣生產。不同技術路線的設備相互通訊與接口存在一些問題。同時不同廠家的換流閥在元件布局上有著較大的差異，也各有特點。在此提出幾點建議，希望能對直流換流站的安全穩定運行和日常運行維護工作起到一定的作用。

4.1 閥控與極控硬件接口統一

目前在運的國產化設備，直流控制保護系統和閥控系統接口不統一，如靈寶、高嶺背靠背換流站，直流控保與閥控系統的接口設備由許繼電氣、南瑞繼保等直流控保廠家提供；而德寶直流工程中，則由直流控保廠家南瑞繼保和閥控廠家中國西電集團分別生產各自的接口設備；寧東直流工程由許繼電氣提供接口設備。由于沒有統一硬件生產標準和要求，涉及到多個廠家，出現問題之后對原因的查找和分析帶來了較大的難度，為直流快速恢復運行帶來了障礙。因此建議接口設備采用統一的接口和通信規約，減少信號傳送的中間環節。

4.2 內冷水回路可靠

對于內冷水管設計應采用大管徑，材料絕緣、耐高溫。接頭采用螺母設計，緊固力矩較大。各接頭處設計密封圈和電極，起到良好的密封和水路電位平衡作用。

每月定期對GIS設備氣室SF6氣體壓力進行檢查，發現壓力有下降趨勢則對該氣室進行密封性檢查。密封性檢查通常采用聚乙烯塑料布局部包扎積累法測定，氣密性檢查積累時間通常取24小時較為合適。還要結合經常檢查SF6密度繼電器指針位置來作為密封性的輔助檢查。

4.3 閥本體、閥控設備元件質量過硬

部分廠家提供的硬件質量不合格。新投運的寧東直流工程、林楓直流工程以及靈寶背靠背二期工程，運行以來多次發現存在板卡虛焊、漏焊、電容漏液、針腳彎曲等現象。國內廠家提升元件質量是保證換流閥可靠運行的根本。在元件選材上一些廠家仍使用充油電容，當元件受沖擊后可能出現放電起火、為閥塔的防火安全上帶來隱患。建議采用絕緣、阻燃材料，保證設備安全。

4.4 閥塔本體、閥控設備設計改良

部分廠家在引進國外技術時未能較好的避免已有的設計缺陷，給穩定運行帶來隱患。ALSTOM公司VBE設計上存在一個問題：如果VBE存在瞬時故障，需要人為手動進行復歸才能使得VBE恢復正常運行。該設計理念為故障告警后需得到確認，以防止運行人員忽略。而實際上這種設計存在系統擾動導致引起直流系統閉鎖的風險，建議取消報警保持功能。晶閘管觸發板的設計上，多家公司采用裸露的電路板，積灰嚴重，抗電磁干擾差。建議采用金屬封裝方式，可大大提高元件的可靠性。在換流閥塔的設計上，部分廠家采用緊湊型設計，縮短了閥塔自身的高度，未設計防火擋板。但另一方面，由于空間比較狹小，設備維護起來比較吃力，非常不方便。沒有防火擋板，在出現火災時可能會蔓延至其他閥層，帶來更大大的損失。建議廠家對閥塔結構進行優化設計。

[1]Jos Arrillaga． High Voltage Direct Current Transmission．2nd Edition[M]．Printed in England by Srort Runpress Ltd．1998．

[2]陳紅軍．高壓直流輸電技術的發展及其在電力系統中的應用[J]．電力建設,2001,10(7):18-21．

[3]袁清云．特高壓直流輸電技術現狀及在我國的應用前景[J]．電網技術,2005,29(14):1-3．

[4]白光亞．光觸發晶閘管換流閥技術及其應用[J]．高電壓技術,2004,30(11):55-59．

[5]寧鳳輝,趙中原,邱毓昌．三峽至常州±500kV高壓直流輸電用晶閘管閥技術特點[J]．高壓電器,2003,39(4):62-69．

劉潯（1981—），男，江西九江人，大學本科，工程師，供職于國網湖北省電力公司檢修公司特高壓交直流運檢中心檢修二次班，任副班長，從事直流控制保護系統維護工作。

戴迪（1983—），男，湖北武漢人，碩士研究生，工程師，供職于國網湖北省電力公司檢修公司特高壓交直流運檢中心檢修二次班，技術專責，從事直流控制保護系統維護工作。

成川（1984—），男，四川成都人，大學本科，助理工程師，供職于國網湖北省電力公司檢修公司特高壓交直流運檢中心檢修二次班，任工作負責人，從事直流控制保護系統維護工作。

艾亮（1986—），男，湖北武漢人，大學本科，助理工程師，供職于國網湖北省電力公司檢修公司特高壓交直流運檢中心檢修二次班，檢修工，從事直流控制保護系統維護工作。

吳雙（1987—），男，湖南湘鄉人，大學本科，助理工程師，供職于國網湖北省電力公司檢修公司特高壓交直流運檢中心檢修二次班，檢修工，從事直流控制保護系統維護工作。