高壓直流輸電換流閥阻尼電容表面腐蝕情況分析

西安西電電力系統有限公司 毛燦

1 引言

高壓直流輸電具有輸送距離遠，輸送功率大，非同步區域互聯，功率損耗少，功率調節靈活，線路造價低等優勢，已被越來越多的應用在電力傳輸領域。晶閘管換流閥主要采用晶閘管元件，單個晶閘管元件僅能承受幾千伏的電壓,因此輸出幾百千伏直流電壓需用幾千個晶閘管級串聯獲得,其中每個晶閘管級(圖1所示)是由晶閘管、RC阻尼回路、晶閘管監測單元（TVM）、導線連接等組成的電氣單元。阻尼電容是組成每個晶閘管級的關鍵件,在換流閥設備中數量大，對換流閥安全運行非常重要。本文結合換流閥設備年度檢修過程中發現的極為罕見的唯一個案——換流站換流閥閥塔內的阻尼電容表面腐蝕，基于全面檢測和深入的理論分析，為設備管理和運行維護人員提供一個難得的案例，提出了換流閥設備和閥廳設備相應的建設性維護建議。

圖1 晶閘管級原理圖

2 換流閥閥塔內阻尼電容部件表面情況

換流閥閥塔內阻尼電容表面腐蝕的發現，源于換流閥設備運行期間,換流站運行人員用紫外成像儀對換流閥運行的監測。當時換流閥輸送功率為1070 MW，閥廳相對濕度為58%，濕度傳感器安裝在閥廳側墻，高度為電位0kV位置處。結合圖2，極2閥廳換流閥布局圖，換流閥閥塔共6層，閥層由上至下直流電位逐層升高，底部最下層電位為-500kV。換流閥閥塔監測發現：在極2閥廳B相右側閥塔偏下層的電容隔板處有放電光子，放電光子數是1000。具體見圖3 G80紫外成像儀監測照片，此處高度較低，輸出電壓高，但沒有安裝相對濕度探測器。

圖2 極2閥廳換流閥布局圖

換流閥此次年度停電檢修期間，發現在極2閥廳B相右側閥塔第5層第1級的電容表面有薄薄一層白色粉末、電容托架和電容固定鋼扎帶表面局部有輕微放電痕跡,同時在底部電容托架和底部電容固定鋼扎帶的間隙中黑褐色粘滯混合物較多（見圖5）。白色粉末和黑褐色粘滯混合物盡管在不同區域，但都是在靠近電容隔板一側。黑褐色粘滯混合物周圍的電容隔板有明顯的潮濕痕跡（見圖4）。而在電容面朝外的一側（見圖6），電容表面干燥，灰塵均勻，無表面白色粉末和放電痕跡。

為了查明該閥塔內有表面白色粉末和黑褐色粘滯混合物的部件的區域分布范圍，對B相閥塔做了全面檢查。在其他A相和C相換流閥閥塔中也做了全面檢查，檢查結果發現：表面白色粉末和黑褐色粘滯混合物的現象有一定分布規律，閥層的電位越高的位置，安裝高度越低,積塵越嚴重，相對濕度越大，白色粉末和黑褐色粘滯混合物的現象也越嚴重。主要集中在閥層4、5、6；見圖5、圖6。

圖5 阻尼電容表面照片

圖6 阻尼電容表面灰塵照片

3 電容零部件檢查和檢測

3.1 電容、電容托架和電容固定鋼扎帶檢查

（1）電容檢查

對拆下的電容器先進行了外觀檢查和參數測試，然后再接入阻尼回路進行晶閘管級電氣試驗。

電容外觀檢查：靠近電容隔板側的電容表面灰塵分布不均，有白色粉末，而白色粉末僅分布在電容下部表面的淺表層。黑褐色粘滯物主要集中在底部電容托架和電容固定鋼扎帶的間隙中。遠離電容隔板外側的電容面，灰塵分布均勻，無表面腐蝕和放電痕跡。電容表面經過清潔處理后，顏色正常，阻尼電容沒有破損。

參數測試結果：電容值在正常范圍內，耐壓正常。

晶閘管級電氣試驗結果：電氣性能正常。

排除了因阻尼電容本體異常產生表面白色粉末和黑褐色粘滯混合物從電容內部滲出的可能性。

（2）電容托架檢查

拆下電容托架進行檢查，在底部電容托架的凸臺附近，黑褐色粘滯混合物較多（見圖5），用酒精清潔污穢的表面，表面顏色恢復正常。電容托架材料具有優異的絕緣、阻燃特性、低吸水性、耐化學、耐高溫。因此不可能是托架材料導致放電。

（3）電容固定鋼扎帶檢查

拆下電容固定鋼扎帶進行檢查，在電容固定鋼扎帶邊沿處，局部有放電留下的灼燒痕跡，見圖7。用酒精清潔污穢的表面，表面顏色基本恢復正常。

3.2 殘留物檢測

現場抽檢兩組殘留物樣品，第一組樣品是白色粉末，第二組樣品是黑褐色粘滯混合物。

第一組取電容器表面的白色粉末，檢測結果如下：

第一組樣品檢測結果：盡管所選擇的4個不同安裝區域的電容的化學成分比例不完全相同，但是仍可以發現：樣品中最多非金屬元素為O，而最多的金屬元素為AL。通過分析，O元素應該是來源于空氣、水分、灰塵等，而金屬元素AL則是來自阻尼電容的鋁外殼。

第二組取在電容托架和電容固定銹鋼扎帶間隙中黑褐色粘滯混合物，檢測結果如下：

第二組黑褐色粘滯混合物檢測結果：盡管所選擇的3個不同安裝區域形成的黑褐色粘滯混合物化學成分的比例不完全相同，但是所含元素基本相同，基本規律為：樣品中最多非金屬元素為O、C、N，而最多的金屬元素為Fe。通過分析，O、C、N元素應該是來源于空氣中的灰塵和托架材料（PA66），而金屬元素Fe則是來自電容固定鋼扎帶。

4 電容表面腐蝕及鋼扎帶放電過程分析

4.1 電容表面白色粉末形成原因分析

電偶腐蝕是異種金屬在同一電解質溶液中，當這兩種金屬的電極電位不同，電極之間存在電位差，如果把這兩個金屬相互接觸或用導線接通，那么電位差就驅動電子由電位較低的金屬流向電位較高的金屬。與此同時，在這兩種金屬與電解質溶液的界面上發生電化學反應，較低電位的金屬表面發生氧化反應，該電極為陽極；電位較高的金屬表面發生還原反應，該電極為陰極。在電解質溶液中，離子在電場作用下發生遷移。在電極和電解質溶液的界面上表現為陽極有被腐蝕的現象。

電偶腐蝕必需具備3個條件：

（1）兩種不同金屬存在腐蝕電位差；

（2）具備腐蝕電位差的兩個電極處于短路狀態；

（3）金屬兩極都處于同一電解質溶液中。

從圖3和圖4可以看出，阻尼電容是通過電容托架固定在電容隔板上的，阻尼電容靠近電容隔板的面，空氣對流受限，電容隔板上留有潮濕痕跡，灰塵分布極不均勻，白色粉末和黑褐色粘滯物都是處在這個面上；另一側電容面朝外 （圖3），空氣對流好，電容表面灰塵分布均勻，沒有表面腐蝕和放電痕跡。說明電容干燥面不會有表面腐蝕現象，只有在潮濕條件下才發生表面腐蝕。

圖2極2閥廳換流閥布局圖，閥塔頂部電位0kV，閥塔底部電位-500kV。濕度傳感器安裝在閥廳側墻，高度在電位0kV位置處，可以推出在電位0kV位置處閥塔偏下的第5層，即電容表面出現金屬腐蝕和電容固定扎帶放電的閥層的相對濕度會更大，電場更強。

換流閥阻尼電容外部是鋁合金材料封裝。在相對濕度較高環境下，靠近電容隔板側的電容表面，空氣對流不好，遇到潮濕的空氣形成凝露。凝露受重力影響向下沉積，靠近底端的電容固定鋼扎帶和鄰近的電容面的凝露在高壓電場作用下，形成了強極性的電解質溶液。構成電偶腐蝕條件3。

從圖4和圖5看，電容托架和阻尼電容之間通過電容固定鋼扎帶固定，電容固定鋼扎帶半個面和電容托架接觸，電容固定鋼扎帶另半個面直接與阻尼電容外殼接觸，電容固定鋼扎帶材料是不銹鋼，阻尼電容外殼材料是鋁合金，阻尼電容和電容固定鋼扎帶直接接觸，形成異種金屬相接觸的短路回路，構成電偶腐蝕條件2。

圖7 不銹鋼扎帶邊沿放電痕跡

表1 第一組樣品檢測表

表2 第二組樣品檢測表

電容表面采用鋁合金材料，電容固定鋼扎帶采用不銹鋼材料，這兩種材料腐蝕電位不同，存在一定的電位差。按照電偶序表（參考GJB 1720-93 異種金屬的腐蝕與防護），鋁合金作為陽極，不銹鋼作為陰極。構成電偶腐蝕條件1。

電容表面腐蝕形成白色粉末原因分析：阻尼電容表面鋁合金和電容固定鋼扎帶表面不銹鋼形成犧牲陽極腐蝕，強電場作用下的水極化起到電解質溶液作用，活潑金屬鋁合金作為電偶反應中的陽極，失去電子變成離子狀態，發生氧化反應；不銹鋼作為電偶反應中的陰極，在它的表面H2O和O2得到電子形成OH-，OH-距離最近的鋁表面發生腐蝕，最終在阻尼電容金屬表面形成金屬氧化物和金屬氫氧化物的混合物。

電化學反應方程式如下：

4.2 電容托架表面黑褐色粘滯混合物形成原因分析

表2第二組樣品檢測表中碳的含量很高，換流站所處位置正好處工業區和生活區，周圍有熱電廠，而熱電廠產生的灰塵主要是碳粉塵。每年夏季時間頻繁下雨，相對濕度高，灰塵隨潮濕的空氣進入到閥廳中。

極2閥廳換流閥閥塔頂部電位0kV，閥塔底部電位-500kV。閥塔6層由上至下，直流電位逐層升高，閥層電位高而安裝位置低，在高壓電場集塵效應作用下，位置低的閥層4、5、6內，阻尼電容積塵重。同一閥層阻尼電容內，位置低的電容托架積塵更重。

換流閥閥塔電位高的閥層內，靠電容隔板側，空氣對流不好，蒸發量低，相對濕度較高環境下，電容金屬表面易凝露，電容表面灰塵混合凝露受重力，沉積在底部電容托架凸臺和電容固定鋼扎帶之間的縫隙中。電容固定扎帶邊沿是銳邊，邊沿尖端會形成強電場，電容表面灰塵混合凝露在高壓電場下作用下，電導增大，形成電容固定鋼扎帶邊沿尖端對離它最近的電容托架凸臺放電。類似于空間一端電極相對另一端絕緣介質的表面放電。

表3 放電光子數的強度分級表

圖5所示的兩個電容固定鋼扎帶拆下后的照片見圖7，電容固定鋼扎帶表面均有放電痕跡，表面灼痕程度不同，與頂部電容托架固定的鋼扎帶電灼痕程度較小，灼痕點僅在一側邊沿上。與底部電容托架固定的鋼扎帶電灼痕程度較大，灼痕面貫穿鋼扎帶整個寬度；放電痕跡成半圓形，與電容托架凸臺圓弧曲率一致，放電點在離電容托架凸臺最近的電容固定鋼扎帶邊沿面上。

形成的黑褐色粘滯混合物，分別在頂部電容托架凸臺和底部電容托架凸臺。對比兩區域內黑褐色粘滯合物，頂部量少、底部量多。黑褐色粘滯混合物積滿向下流淌痕跡,顏色深淺不一，前期形成混合物上又堆積后期新形成的混合物,形成已蒸干混合物上面又堆積新的潮濕混合物。當閥廳濕度大，高壓電場強，在電容固定鋼扎帶和電容托架凸臺之間形成表面放電，當濕度小電容表面水分蒸干時，表面放電停止，這種反復潮濕、干燥、潮濕；反復放電、停止、又放電；形成了包含許多灰塵、水分以及放電灼蝕電容固定鋼扎帶和電容托架表面形成的黑褐色粘滯混合物。目前換流閥設備檢修是一年一次，從時間上推斷，生成的黑褐色粘滯混合物是一年之內積累形成的。

5 避免電容表面腐蝕和鋼扎帶放電的改進建議

影響金屬表面腐蝕及放電的因素較多：高電場強度、較重灰塵污染、閥廳相對濕度高、部件間的空氣間隙及金屬表面曲率等。主要因素還是閥塔之外的潮濕空氣和灰塵造成。閥塔內各閥層電位是設計限定的，閥層間距在安全絕緣距離范圍內，閥層內各晶閘管級承受安全范圍內的固定電壓，晶閘管級內各部件間隙也在安全絕緣距離范圍內。電容表面凝露混合灰塵，沿電容表面向下匯集并沉積在部件之間的間隙中，形成金屬表面腐蝕和放電。要預防金屬表面腐蝕和局部放電，就是要采取措施消除致空氣潮濕因素和致灰塵的因素。因此保持閥廳密閉、空氣調節微正壓和相對濕度控制對換流閥設備安全運行極重要。同時，每年換流閥年度檢修和清潔也非常必要。換流閥年度檢修期間，查出的故障隱患可以在檢修時，及時消缺處理。以下建議可用到換流閥設備維護過程中。

6 換流閥設備運行維護建議

6.1 換流閥運行監測

采用紫外成像儀巡檢閥廳內各閥塔的放電情況。根據監測放電產生的光子數，可以電暈定位和定性。但是在定量方面，目前仍沒有完善的導則。對于定性的研究課題不但在國內，在國外也是非常熱門，在美國歐洲，以色列等地都有專家在研究解決方案。經過數年的研究和資料搜集，美國和以色列的專家共同編寫了一個簡單的判定分級。將光字數的強度分為3個等級：高度集中、中度集中、輕度集中。3個等級的判定和采取的措施見下表。

在紫外成像儀的增益設定為G80-G100時，當換流閥閥塔中局部光子數穩定在＜1000個左右，且并無增大的跡象，屬于輕度放電類型。當光子數超過5000視為不可接受的放電，需要停電處理。

6.2 閥廳濕度的監測

（1）加強換流閥閥廳的相對濕度監測，保持閥廳的長期相對濕度＜RH50%，使換流閥處于長期安全運行環境；

（2）當閥廳相對濕度的范圍為：RH50%＜閥廳濕度＜RH60%時，應引起高度重視，及時采取措施調整閥廳的相對濕度，同時采用紫外成像儀進行放電監測。

（3）建議在閥廳內高壓電場強、相對濕度大的區域，增加濕度傳感器，取閥廳濕度探測最大值作為預警信號，將濕度監測信號送至控制室，超過RH50%應產生報警信號，以提醒運行值班人員采取措施。

6.3 閥廳相對濕度及污穢的控制

相對濕度高，灰塵嚴重是本次阻尼電容固定鋼扎帶表面放電的一個主要因素。因此有如下建議：

（1）定期進行空調維護，保證閥廳環境滿足換流閥長期安全運行要求；

（2）在不影響正常使用的條件下，對現有空調系統進行升級，使空調可以有效的除濕；

（3）保證閥廳長期處于封閉狀態，避免灰塵進入；

（4）保證閥廳相對外界環境形成微正壓，使外界塵埃不容易進入到閥廳；

（5）增加閥廳空氣灰塵檢測和除塵過濾設備，定期更換濾網。

7 結論

換流閥阻尼電容表面腐蝕，并伴有個別電容固定鋼扎帶局部放電，放電光子數范圍為1000，經檢查測試可得出以下結論：

高壓直流輸電換流閥阻尼電容表面腐蝕的根本原因是高壓強電場下閥廳相對濕度和灰塵超標造成的。

建議在閥廳內高壓電場強、相對濕度大的區域增設濕度傳感器，取濕度探測最大值作為預警信號，對閥廳相對濕度進行有效控制。空調設置保證閥廳相對外界環境形成微正壓，使塵埃不容易進入閥廳。換流閥運行期間，加強放電監測、換流閥閥廳運行環境的濕度和灰塵監測，保證空調設備的除濕和除塵性能，使換流閥處于長期安全運行的環境。

阻尼電容作為換流閥的關鍵部件，與阻尼電阻串聯后，并聯在晶閘管元件兩端，構成過電壓阻容吸收電路，避免晶閘管元件受損，對換流閥設備安全運行至關重要，如果表面腐蝕電容得不到及時處理，這種腐蝕性破壞會滲透到電容內部和腐蝕電容范圍擴大，造成換流閥設備停運。因此，加強換流閥設備運行放電監測和閥廳環境監測，可及時發現隱患，采取有效措施改善空氣質量，抑制并消除高電壓下受污穢、潮濕環境影響而產生電偶腐蝕及局部放電。這不但適用于高壓直流輸電換流閥設備運行維護，也同樣適用于特高壓換流閥設備運行維護。

[1] ±800kV特高壓直流輸電用6英寸大功率晶閘管換流閥,高壓電器2010，46（6）.

[2] 劉振亞.特高壓直流輸電理論[M].北京：中國電力出版社.2009

[3] 趙婉君.高壓直流輸電工程技術[M] .北京：中國電力出版社.2005.

[4] 4500A晶閘管換流閥局部放電問題的分析與處理，高壓電器2010，46（9）

[5] GB/T 20990.1-2007 高壓直流輸電用晶閘管閥 第1部分：電氣試驗[S]

[6] ±800kV/5000A自主化換流閥性能分析,南方電網技術,2012.6(6)

[7] 劉澤洪.晶閘管換流閥[M].北京：中國電力出版社.2009

[8] ±1100kV特高壓直流換流系統主電路優化設計，電網技術，37（9）

[9] GB/T 10123-2001 金屬和合金的腐蝕 基本術語和定義

[10] GJB 1720-93 異種金屬的腐蝕與防護