高壓直流換流站常見故障及其對策

張國棟

摘要：高壓直流（HVDC）輸電以其在長距離大容量輸電、海底電纜輸電和非同步聯網等領域的獨特優勢而得到了廣泛應用，目前世界范圍內已投運了100多個直流輸電工程。直流投運以來基本上在大負荷方式下運行，總體運行情況良好，主設備性能穩定，控制與保護及輔助系統比較可靠，為西電東送發揮了重要而積極的作用。但運行中不斷暴露軟、硬件缺陷，也發生了多起因直流設備故障引起的閉鎖和強迫停運事件，直接影響直流輸電可用率，嚴重時導致設備損壞、直流閉鎖、電網失穩甚至局部崩潰。

關鍵詞：高壓直流輸電；換流站；設備故障

中圖分類號：TM72 文獻標識碼：A

通常將整個高壓直流輸電系統當中，為了實現交流電與直流電轉化，同時確保電力系統所提供電能質量安全可靠的站點定義為換流站。當前我國電網系統當中的換流站設備數量不斷提升，為了做好換流站的安全保護工作，就需要對各種常見的設備故障問題加以全面分析，研究相應的防護措施，做到有備無患，從而提高其運行質量。

1 換流站的主要設備

高壓直流輸電（HVDC）系統中，換流站是實現交流電和直流電相互能量轉換的系統，是直流輸電的中心環節，是聯絡交流電力系統和直流輸電的樞紐。換流站主設備包括直流場設備和交流場設備，直流場設備是主要部分，包括換流變壓器、換流閥、平波電抗器、無功補償設備、直流保護控制系統等。在換流站主設備中，換流變壓器、換流閥、直流控制保護系統是主要設備，輔助設備包括站用電、消防、尋呼及監視等系統。兩端換流站由交流部分和高壓直流組成，并通過直流線路相連。其中，柴達木換流變電站的330kV交流場為一個半斷路器接線，共13串，與高壓直流相關的設備主要有交濾波器組，換流變壓器和交流PLC濾波器等。400kV直流場按可實現單極大地返回，單極金屬返回、單極雙導線并聯運行及雙極運行等四種運行方式進行配置，主要設備有平波電抗器、復合型光TA/TV、直流濾波器及直流開關等。

2 換流站直流設備存在的常見故障

2.1 換流閥設備故障

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。

2.2 其他常見故障

①水冷卻系統故障。主要由內冷水壓力、電導率、溫度和控制系統故障等原因造成。在天生橋換流站，水冷卻系統故障多為閥塔均壓電極的水冷卻密封圈漏水和內冷水壓力異常引起。②直流控制、保護系統故障。直流的保護和控制系統多為雙重化配置，當兩套系統同時故障或失電時將引起直流的雙極閉鎖。在天生橋站，此類障礙中以直流極控系統SIMADYND的插件故障引起兩套系統切換不成功引起直流閉鎖居多。③交流電壓異常造成直流閉鎖。在直流的極控保護中，當檢測到換流變側的交流電壓低于或高于額定30%均會引起直流系統的雙極閉鎖。④站用電故障引起直流系統跳閘。在切換站用電時，切換不成功引起兩套直流保護失電或閥冷卻系統主泵失電，將引起直流跳閘。⑤無功不足造成輸電受限。由于交、直流濾波器為直流輸電提供無功補償，當交、直流濾波器故障，引起無功缺少，將直接影響直流的功率傳輸。⑥兩套局域網或光纖環網同時故障，造成直流站控系統無法獲取數據，引發雙極閉鎖。

3 故障的解決措施

3.1 水冷卻系統

①針對閥塔設備漏水引起強迫停運，在直流停電檢修期間，拆除雙極閥塔所有匯流管與小水管用純凈水清洗，沖洗進入內冷水系統的環氧樹脂粉，防止密封墊圈被腐蝕。②每周對閥塔設備進行紅外線巡視至少一次。巡視重點為陽極電抗器、電阻器、TE板等設備有無發熱。③在直流系統停電期間，若時間允許應進入閥廳檢查均壓電極密封墊圈和水冷阻尼電阻的水管接頭，發現腐蝕墊圈、水管接頭被堵塞應立即處理。停電檢查2月一次為宜。④針對管道有氣泡引起壓力異常造成多次強迫停運，在補充內冷水時必須按規程操作，補充合格的純凈水，并進行多次管道排氣。補水完畢后靜置24h后方可啟動直流系統。

3.2 直流控制、保護系統

①正常情況下，極控系統應始終保持在自動切換狀態，直流極控和站控系統必須確保雙套系統（主運和備用）均正常。②每天巡視極控和直流保護系統，出現插件告警立即申請處理。③在極1、極2運行期間，禁止在交流進線開關和換流變進線的TA回路上工作。④加強極控系統備品插件的管理，確保重要插件備品充裕。發現極控系統的SIMANDYND電源插件故障，檢查相應的極控系統已在備用狀態，事故處理完畢后將極控系統的切換方式設置為自動。

3.3 站用設備防護

第一，對于換流站運行系統當中如閥冷卻系統以及換流變冷卻系統等一類關鍵性的系統而言，由于其負荷水平會直接對系統運行安全性產生影響，因此，需要確保其分別對應有兩路完全獨立的電源完成供電任務。假如在實際工作中任意電源出現故障，則需要及時在兩路供電電源中進行倒換，使系統始終對應有兩路電源完成供電工作。第二，若換流站運行期間發生站用直流系統接地告警的問題，需要工作人員及時對其進行檢查，找準發生問題的部分，并及時加以處置。考慮到戶外端子箱在外部環境濕度較高的情況下容易發生受潮問題，因此需通過加大巡檢頻率的方式，避免戶外端子箱因受潮而出現直流接地的故障。第三，需要對換流站站用設備所使用的UPS電源進行全面監督控制，確保其供電的不間斷性。

3.4 防范交流電壓異常引起直流側事故

①直流運行期間，禁止在換流變進線的TV回路工作。②直流停電期間，檢查直流極控的交流電壓和交流電流回路，緊固相應的端子，防止端子松動。③若交流側輸電線路跳閘，應盡量避免在換流站側對線路充電，避免因電壓沖擊導致換流變側電壓波動。④若換流變進線引自3/2接線的出線，則換流變所在的串嚴防解環運行。⑤加強避雷器的日常巡視，防止避雷器故障、雷擊造成換流變過電壓。

3.5 防止直流雙極閉鎖

①確保閥冷卻系統、換流變冷卻系統等重要的負荷各有兩路完全獨立的電源供電，任一電源有問題須盡快倒換，確保始終有兩路電源供電。②定期檢查電纜通道，封堵電纜通道孔，防止小動物破壞。③出現站用直流系統接地告警，立即檢查并及時處理。進入雨季前，檢查戶外端子箱，防止受潮引起直流接地。④核算站用直流系統各級熔斷器（空氣開關），防止熔斷器越級熔斷。⑤定期檢查蓄電池和充電機設備，確保正常運行，并對備用的充電機定期進行輪換試驗。⑥加強對UPS（不間斷電源）的監視，確保正常。

綜上所述，分析了高壓直流輸電換流站設備的常見障礙類型，闡述了直流一次設備、二次設備和輔助設備的故障特點，提出了高壓直流設備故障的處理和預防措施。運行實踐表明，該措施切實有效，可減少設備事故、提高直流輸電可用率。許多高壓直流輸電核心技術在我國尚未取得完全突破，還需加大直流輸電運行、維護經驗的積累交流，探索運行規律并提高維護水平。

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