換流閥水冷系統(tǒng)故障統(tǒng)計(jì)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(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程系，河北 保定 071000；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650000)

隨著電力行業(yè)的快速發(fā)展，電力傳輸技術(shù)的發(fā)展步伐也明顯加快，提高電力傳輸能力的辦法不斷涌現(xiàn)，其中，高壓直流輸電工程是優(yōu)化電力傳輸?shù)闹匾e措之一。換流閥在高壓直流輸電系統(tǒng)中起重要作用[1]，保障其安全運(yùn)行是高壓直流輸電的關(guān)鍵。換流站的閥冷系統(tǒng)是一種專門設(shè)計(jì)的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，是換流閥系統(tǒng)的重要組成部分，達(dá)到給晶閥管等元件降溫的作用[2]。

經(jīng)過文獻(xiàn)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，關(guān)于換流站閥冷系統(tǒng)運(yùn)行故障方面的研究已有很多，但每篇文獻(xiàn)往往僅局限于某個(gè)換流站或某幾個(gè)換流站，得出的結(jié)論對全國范圍內(nèi)的換流站來說適用性不大，因此，有必要對全國范圍內(nèi)閥冷系統(tǒng)故障案例做一個(gè)統(tǒng)計(jì)分析。通過對文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫中文獻(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，分析造成閥冷系統(tǒng)故障原因，對閥冷系統(tǒng)故障的預(yù)防及解決起到指導(dǎo)作用，對換流站綜合考慮閥冷系統(tǒng)運(yùn)行狀況具有一定的參考價(jià)值。

1 閥冷系統(tǒng)運(yùn)行故障原因分析

閥水冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，都會影響換流閥的正常運(yùn)行。造成閥冷系統(tǒng)運(yùn)行故障的原因眾多，經(jīng)統(tǒng)計(jì)大致分為以下幾類：設(shè)備故障、水路問題、設(shè)計(jì)缺陷、監(jiān)控系統(tǒng)故障、供電隱患、自然因素、人為因素等。

1.1 設(shè)備故障

該方面主要包括了主循環(huán)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(xiàn)對幾個(gè)故障點(diǎn)進(jìn)行介紹。

1.1.1 主循環(huán)泵故障

主循環(huán)泵是內(nèi)冷水系統(tǒng)重要的運(yùn)行設(shè)備，保證冷卻介質(zhì)的恒定壓力和持續(xù)流量。換流閥水冷系統(tǒng)主泵的軸封結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造安裝精度要求高，使用不當(dāng)會出現(xiàn)磨損嚴(yán)重、使用壽命短等問題。主泵故障主要表現(xiàn)在異常振動、軸封破損和輸送流量低三個(gè)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(zhuǎn)軸摩擦等。天山換流站曾多次發(fā)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(fù)龍換流站極Ⅰ高端曾因閥冷主泵流量低跳閘導(dǎo)致強(qiáng)迫停運(yùn)。

1.1.2 變頻器故障

變頻器是用于需要調(diào)速的地方，其輸出時(shí)不但改變電壓，而且同時(shí)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(fù)荷的設(shè)備較為不適合。換流站閥水冷主循環(huán)泵啟動方式采用變頻器控制時(shí)，變頻器發(fā)生故障時(shí)，只能切換至備用變頻器啟動回路，若同時(shí)故障，將導(dǎo)致主循環(huán)泵停運(yùn)。2007年,宜都站極Ⅰ內(nèi)冷水1號主泵因變頻器故障，導(dǎo)致流量保護(hù)動作。

1.1.3 傳感器故障

閥冷系統(tǒng)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(huán)境電磁干擾嚴(yán)重 ,可能會使實(shí)際值與監(jiān)測值之間存在較大的誤差,造成保護(hù)誤報(bào)警或誤動作[7]。當(dāng)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(shí)，將導(dǎo)致閥組跳閘，影響直流功率輸送[8-9]。2012年12月05日01時(shí)23分，穗東換流站極Ⅱ高端閥組因內(nèi)冷水流量低跳閘，事后檢查發(fā)現(xiàn)實(shí)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(nèi)冷水兩臺主泵電源故障導(dǎo)致閉鎖[10]。龍泉站曾發(fā)生極Ⅱ內(nèi)冷水MCC盤柜的2號循環(huán)泵電源開關(guān)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(fā)生直流輸電快速停運(yùn)的事件。在查找原因時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于外技人員的接線錯(cuò)誤，導(dǎo)致繼電器吸合不上，造成內(nèi)冷水電導(dǎo)率測量元件失電，而誤發(fā)內(nèi)冷水電導(dǎo)率高信號[11]。

1.2 水路問題

在水路循環(huán)過程中，發(fā)生管道堵塞、漏水、殘存氣體、水位變化異常等現(xiàn)象的頻率較高，這嚴(yán)重影響了閥冷系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

腐蝕結(jié)垢是閥冷系統(tǒng)的主要故障之一，而且這種結(jié)垢堵塞對于換流閥的安全運(yùn)行影響很大。通過實(shí)際運(yùn)行的換流站可知，腐蝕結(jié)垢通常發(fā)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(nèi)冷水系統(tǒng)中，就會造成水路系統(tǒng)堵塞，水流不暢，降低內(nèi)冷水效率，嚴(yán)重的可燒毀電氣元件，甚至引發(fā)火災(zāi)[19-20]。

均壓電極的電流密度達(dá)到某個(gè)定值就會生成臭氧，臭氧環(huán)境會導(dǎo)致 EPDM 橡膠材質(zhì)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(nèi)冷水泄漏，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致直流系統(tǒng)停運(yùn)。

在一些運(yùn)行情況下,內(nèi)冷水運(yùn)行時(shí)會產(chǎn)生大量氣泡,當(dāng)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(dá)到非常高的溫度和沖擊壓力,使液壓裝置產(chǎn)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(dǎo)致局部氣體滯留,致使閥塔頂部壓力傳感器檢查到內(nèi)冷水壓力低于整定值而閉鎖直流系統(tǒng)[22]。

天廣直流系統(tǒng)于2005年5月開始頻繁發(fā)生換流閥元件損毀和漏水故障。在2006年大修期間，檢查發(fā)現(xiàn)，原有的14個(gè)排氣閥不足以排放多余的空氣，造成內(nèi)冷水壓力低，導(dǎo)致系統(tǒng)停運(yùn)。

2001年，葛南直流系統(tǒng)，曾出現(xiàn)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(xù)過大，膨脹水箱水位下降速率超過定值．引發(fā)漏水報(bào)警動作跳閘[23]。

1.3 設(shè)計(jì)缺陷

該方面主要包括自切回路設(shè)計(jì)邏輯不合理、泵房設(shè)計(jì)不合理等[24-26]。

主泵主備切換邏輯不合理，會影響當(dāng)運(yùn)行主泵出現(xiàn)異常需要切換到備用主泵時(shí)，通過手動旋鈕會固定在備用主泵，此時(shí)主泵失去冗余性，風(fēng)險(xiǎn)較大，嚴(yán)重時(shí)可能引起直流系統(tǒng)閉鎖。2002年6月13日，天生橋換流站極Ⅱ閥冷系統(tǒng)在1臺噴淋泵失去電源后，備用泵未能及時(shí)切換并啟動，內(nèi)冷水溫度迅速上升，從而導(dǎo)致極Ⅱ跳閘。

繼電器的自切回路設(shè)計(jì)也會影響換流閥水冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行。1990年南橋站在定期切換站用電時(shí)，水冷卻系統(tǒng)切換失敗。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，原設(shè)計(jì)的繼電器會出現(xiàn)K2、K5兩路供電電源同時(shí)接通瞬間。由于這兩路電源電壓存在相角差,因此會產(chǎn)生很大的環(huán)路電流,從而導(dǎo)致兩路供電電源同時(shí)跳閘,系統(tǒng)停運(yùn)。

泵房在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意所處地勢，盡量建在較高處。1997年8月7日0時(shí)35分，葛洲壩換流站極Ⅱ噴淋泵房進(jìn)水，極Ⅱ被迫停運(yùn)兩天。檢查發(fā)現(xiàn)潛水泵定子線圈被燒壞。經(jīng)分析后認(rèn)為，水泵房設(shè)計(jì)時(shí)，地面偏低，墻接角處密封不好，遇大雨時(shí)會有大量雨水涌入泵房，很容易造成積水。

1.4 監(jiān)控系統(tǒng)故障

閥水冷監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對內(nèi)冷水與外冷水系統(tǒng)的監(jiān)視與控制，同時(shí)完成與對應(yīng)的極控系統(tǒng)信息的交互。各直流輸電系統(tǒng)中，閥水冷監(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)中采用SIMATIC S5系統(tǒng)、興安及云廣直流輸電系統(tǒng)中采用SIMATIC S7系統(tǒng))實(shí)現(xiàn)，主系統(tǒng)故障時(shí)將自動、快速、平滑的切換至備用系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)均故障則啟動直流輸電系統(tǒng)強(qiáng)迫停運(yùn)[25]。

監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置應(yīng)與相關(guān)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況相結(jié)合，設(shè)置合適的參數(shù)以保證閥冷系統(tǒng)的正常運(yùn)行[27-28]。

2004年9月，天廣直流極Ⅱ閥水冷控制系統(tǒng)SIMAllC S5裝置工作性能不穩(wěn)定。抗干擾性能差，兩套系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)先后故障，導(dǎo)致極Ⅱ停運(yùn)。

2006年5月14日，天生橋站用電系統(tǒng)倒換過程中，極I主泵切換不成功，冷卻水管道內(nèi)殘留有空氣，水壓不能正常建立，導(dǎo)致極I跳閘。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，主泵切換時(shí)主水壓力建壓時(shí)間設(shè)置偏短(目前設(shè)置值為1s)，在某種情況(內(nèi)冷水內(nèi)含有空氣時(shí))下，可能出現(xiàn)水壓低造成主泵切換失敗，造成2臺主泵停運(yùn)，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(shè)備廠家給定的閥冷卻系統(tǒng)泄漏保護(hù)定值不當(dāng)(過于靈敏)且未及時(shí)發(fā)現(xiàn)，在環(huán)境溫度變化導(dǎo)致膨脹水箱液面高度變化超過定值情況下，閥泄漏保護(hù)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(tǒng)的正常運(yùn)行，需要平穩(wěn)安全的持續(xù)供電。當(dāng)站用電電壓波動或變電站斷電造成設(shè)備供電出現(xiàn)問題時(shí)，會導(dǎo)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(tǒng)停運(yùn)。

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

2005年4月9日，鵝城換流站雙極直流水冷系統(tǒng)主水流量低保護(hù)跳閘。原因?yàn)榱x和220kV變電站全站失電，導(dǎo)致埔田、湖鎮(zhèn)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(fēng)扇電源失電全停，造成閥冷卻系統(tǒng)進(jìn)水溫度高保護(hù)動作跳閘，極II閉鎖。

1.6 自然因素

自然因素如地震、冰災(zāi)、雷擊、暴雨等，很可能造成停運(yùn)。

2008年6月13日，寶安換流站所在地區(qū)普降暴雨。同時(shí)引發(fā)的山洪，倒灌進(jìn)雙極閥冷系統(tǒng)的外冷水泵坑，進(jìn)而淹沒了噴淋泵，引起噴淋泵相繼停運(yùn)，造成雙極閥冷系統(tǒng)的內(nèi)冷水溫度不斷升高，最終導(dǎo)致雙極相繼跳閘[30]。

外界氣溫的變化也有可能造成停運(yùn)。在冬季，直流系統(tǒng)長期停運(yùn)時(shí)，水冷溫度較低，內(nèi)冷水系統(tǒng)通過旁通回路運(yùn)行，室外的冷卻塔管道中的水溫很低。當(dāng)室外環(huán)境溫度上升或直流系統(tǒng)剛解鎖時(shí)，水冷溫度升高，由旁通回路運(yùn)行改為經(jīng)過冷卻塔循環(huán)運(yùn)行，內(nèi)外水溫的突變將會導(dǎo)致水位急速下降，導(dǎo)致泄漏保護(hù)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(dǎo)致極I極Ⅱ相繼引發(fā)泄露保護(hù)動作。

1.7 人為因素

換流閥水冷系統(tǒng)中，參數(shù)的設(shè)置、設(shè)備的維護(hù)、水路狀態(tài)的調(diào)節(jié)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(yán)重的后果。

2001年8月22日，繼電保護(hù)人員在校驗(yàn)?zāi)蠘蛘緯r(shí)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(tǒng)誤發(fā)漏水信號,雙極同時(shí)停運(yùn)。

2 換流站閥冷系統(tǒng)故障統(tǒng)計(jì)與分析

通過文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫，研究了1990～2018年期間，200余篇已發(fā)表的國內(nèi)文獻(xiàn)中關(guān)于國內(nèi)換流站的故障事件，確定閥冷卻系統(tǒng)引起的故障事件66次。并對故障事件按照故障原因、發(fā)生年代等進(jìn)行分類總結(jié)。

對國內(nèi)換流閥冷卻水系統(tǒng)故障按照三個(gè)年代統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖1所示。

圖1 換流站閥冷系統(tǒng)故障年份統(tǒng)計(jì)圖

對2000年以前，閥冷系統(tǒng)故障原因統(tǒng)計(jì)并細(xì)分后，結(jié)果如圖2顯示。

圖2 2000年之前閥冷系統(tǒng)故障原因統(tǒng)計(jì)圖

從圖1和圖2中可知，在 2000 年之前，閥冷系統(tǒng)故障發(fā)生的次數(shù)不多，原因是 2000 年之前進(jìn)入投產(chǎn)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(jié)垢、堵塞現(xiàn)象等。此外，這一時(shí)期，換流站運(yùn)行較少，換流閥的設(shè)計(jì)還有待完善，一些問題還集中在設(shè)計(jì)換流閥上。

對2001到2010年之間，對閥冷系統(tǒng)故障統(tǒng)計(jì)并細(xì)分后，結(jié)果如圖3顯示。

圖3 2001到2010年之間閥冷系統(tǒng)故障原因統(tǒng)計(jì)圖

從圖1和圖3中可以看出，在 2001年到2010 年期間，國內(nèi)換流閥閥冷系統(tǒng)故障發(fā)生較為頻繁，其主要原因是在這10年中，新建的換流站陸續(xù)投產(chǎn)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(fù)龍站等，新建的換流閥逐漸增多。隨著這些換流站的投入運(yùn)行，換流閥的故障也頻繁發(fā)生，許多問題也暴露出來。水路缺陷和設(shè)備故障占了相當(dāng)大的比例，表明這兩個(gè)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(wǎng)的穩(wěn)定性的需求加大。

對2010年之后，閥冷系統(tǒng)故障統(tǒng)計(jì)并細(xì)分后，結(jié)果如圖4顯示。

圖4 2010之后閥冷系統(tǒng)故障原因統(tǒng)計(jì)圖

2011年之后，由于距今時(shí)間較短，在國內(nèi)換流閥閥冷系統(tǒng)中的發(fā)生的故障次數(shù)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(fā)生次數(shù)減少。在此期間主要發(fā)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(tǒng)的設(shè)備故障、水路缺陷和供電隱患，這說明設(shè)備的維護(hù)、水路系統(tǒng)的不完善以及電網(wǎng)的穩(wěn)定性仍然是亟需解決的主要問題。

3 結(jié)語

(1)換流站閥冷系統(tǒng)的安全可靠直接關(guān)系到換流站的運(yùn)行安全，而閥冷系統(tǒng)的監(jiān)督檢測和運(yùn)行保護(hù)是系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的重要措施。

(2)換流站閥冷系統(tǒng)普遍存在一些薄弱環(huán)節(jié)，詳細(xì)分析了閥冷系統(tǒng)的故障原因，主要包括設(shè)備故障、水路缺陷、設(shè)計(jì)缺陷、監(jiān)控系統(tǒng)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(fā)生年代等進(jìn)行分類總結(jié)，發(fā)現(xiàn)2001-2010年期間，閥冷系統(tǒng)故障發(fā)生較為頻繁。水路缺陷和設(shè)備故障占了閥冷系統(tǒng)故障原因相當(dāng)大的比例，表明這兩個(gè)方面是閥冷系統(tǒng)故障的主要隱患。