特高壓直流閥冷系統隱患分析及防范措施

中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司廣州局 梁 律

引言

特高壓轉換器的開閥式水冷系統是直流輸電系統的關鍵組成部分，其正常運行也涉及直流功率傳輸系統的安全平穩運行。在特殊的情況下，直流閥水冷控制系統的一些控制邏輯和保護功能可直接鎖定在直流控制系統，如注意不當可能會造成直流傳輸功率的強制下降。

目前在特高壓轉換系統所運行階段的事故和異常都與設計、建造過程有關，這些隱含的風險雖并不包括在相應的控制手段和措施，但隨著換流站運用時長的增加，會逐漸呈現出困難且不完全的整流現象。結合我國大多數換流閥水冷系統的設計和施工階段的問題點，通過對與深挖相同的隱蔽危險性進行詳細分析，以確保現場工程的安全性、品質、進步為前提，制定了特定的對策，本文提出了今后設計優化的提案。

特高壓直流輸電系統由于其容量相對很大且距離較遠及損耗少的優勢，在國家供電系統中獲得不錯的發展，已廣泛融入到各個領域并得到國際認可。而在世界電力網絡穩定發展的推動下，也使得特高壓直流電力輸送工程技術對于推動全世界發電事業的健康發展起到不可取代的作用。而換流站也在直流電力輸送工程技術當中占有著關鍵的地位，須加強重視，確?？捎行Q流閥的應用進行調整，使其能更加有效的輸出能量。而在受電端，換流閥或逆變器則可將直流電逆變成交換電，給后端供電帶來較為充沛的電能。此外，在某些情形下其也能夠透過變換控制方式讓整流器逆變器與角色互換，為后期電力供應及輸入提供更多幫助，最大化發揮換流閥應用的效果。

圖1 某換流站閥水冷系統原理圖

1 特高壓閥水冷系統設計原理及配置方法

特高壓換流閥在正?；顒悠陂g會產生很多熱量。為確保在常溫下運行、防止高溫損傷，需要冷卻系統。根據其功能，分為閥門內部冷卻系統和閥門外部冷卻系統。

閥門內部冷卻系統通過主循環泵的工作使閉路內的內部冷卻水循環，在流經轉換器閥時取熱，使轉換器閥在通常的溫度下工作。閥門內部冷卻系統具有分流水處理電路，用于在特定時間內純化所有內部冷卻水，以保證一定范圍內的導電率是可靠的；閥門的外部冷卻系統是開放設計。冷卻塔通過風機產生上方氣流，噴霧泵從噴霧池取出噴霧水生成下方的水流，形成冷卻塔內的對流，冷卻塔內線圈內流動的內部冷水。噴涂水在減少了噴涂水的硬度后，要在噴涂水中去除反沖和微生物、然后進入噴涂池，必須采用一套水預處理系統。

特高壓換流站有4個換流閥，每個換流閥都配備有獨立的閉閥式閥水冷裝置。每個閥門都包括一套完整的水冷卻裝置：一套閥門內部冷卻系統、一套閥門外部冷卻系統、一套內部冷卻系統的電源和控制系統、一套外部冷卻系統的電源和控制系統、工業水泵成套設備和所有設備的管道。

圖2 換流閥冷卻塔系統流程圖

2 直流反措及精益化評價要求

我國南網直流換流站的單極、雙極閉塞防止對策《防止外部閥冷卻系統故障導致的鎖定》、《用于實現和評估轉換器閥水冷系統的所有工程技術管理的精益管理的詳細規則》，從五個階段提出了內部閥冷卻系統和外部閥冷卻系統的相關要求。制定采購、制造、基礎設施建設、接收、運營、維護、特定的預防措施。其中，“防止閥水冷系統故障鎖定”的企劃、設計階段關注主循環泵、傳感器等重要硬件設備的構成原理。控制和保護系統以及所有類型的保護構成原理一樣，資本建設和安裝階段集中在管道和主要泵及其電機的安裝方法和安裝要求上。

在“防止因關斷閥冷卻系統故障而鎖定”的計劃和設計階段，在以冷卻塔、風扇馬達、噴霧泵的電源設計、邏輯控制、環境要求為焦點的資本構筑和設置階段，應明確冷卻塔熱交換線圈的安裝模式和工藝質量，并研究緩沖池和鹽池的防污設計。由于新技術和產品的應用，在提高機器的可靠性的同時，會出現一些新的缺陷和隱藏的危險性。為了防止事故和事故的發生，現場具有很多的實踐練習和跟蹤練習，需要電網人員進一步地分析和發掘，來正確地推進預防對策。

3 特高壓閥水冷系統隱患分析及防范措施

閥冷系統一般在硬件設備產生故障或受損時會產生一系列問題，其中更加需要注意的監測目標為閥組的跳閘，閥水冷控制系統具有實時監控各種操作參數的功能，當一些參數信息異常時，控制保護系統會自動引發跳閘操作以確保硬件設備的安全性，瞬間的異常則不會引起以上情況。在保護配置中，時間將被視為控制因素，而只會在其持續時間達到特定長度后才會引發。

目前，大部分換流站的閥冷系統的重要傳感器具有三種冗余配置，并且可編程控制器接收傳感器信號，可編程控制器通過程序設置處理接收信號。另一方面用于控制閥冷系統，例如將入口閥溫度達到設定值，啟動噴霧水泵，若將緩沖池液面監視到設定值，則需停止工業化補水泵。另一方面，膨脹罐的液面液位沒有達到安全閾值導致出口閥群引發跳閘，如果發現入口閥溫度成為最大值、出口閉塞等現象，需要直接啟動閥冷卻系統保護，閉鎖直流系統。

3.1 系統水冷主回路隱患分析及防范措施

閥水冷卻系統主水電回路中，最常見的問題就是里面冷卻水的泄露或滲漏，引起了漏水保護功能。壓力感應器前端的換流閥那樣的閥門，因為長期的運行而產生松動，里面的冷卻水就稍微泄漏了。但是假如他們繼續緩慢運動，就會引起里面冷卻水的快速滲漏。此外，內部溫度在冬天會出現較大變動，由于熱膨脹和冷卻收縮內部冷卻水位也會變化。在運行監控中早晚都應定時記錄內部冷卻水位，當發現異常情況時應立即檢查。同時也須檢測內部有關閥門，并在年維護期內擰緊[1]。換流站閥水冷系統主要使用頻率轉換器來控制泵和冷卻塔風扇的速度。根據設備的運轉狀況和經驗，頻率轉換器大多由于高溫和內部的塵埃而異常工作，主泵和冷卻塔風扇發生異常運轉，直接流系統被切斷。

整改措施∶取消內冷水溫度、電導率、膨脹水箱水位冗余傳感器超差跳閘出口邏輯，僅保留告警信號回路。需要維持內部冷卻水室的低溫和清凈性，定期檢查頻率變換器的溫度，置換頻率變換器的濾波面。

3.2 交流電源電壓監視繼電器隱患分析及防范措施

主要泵、噴霧泵、冷卻塔風機和閥冷卻系統等設備由兩個冗余電源供給。當監視電路檢測到主電源故障時，為了確保閥水冷系統的順暢動作，切換到待機電源。閥冷卻方式的交流電源電壓監視繼電器是將該交流電源用于電源的，因此在發生交流電源重大故障時繼電器的監視功能可能發生故障，結果會導致電源開關的切換和閥門組的切換失敗。整改措施：將交流電源電壓監視繼電器替換為通過直流電源獨立供電的電壓監視繼電器。電壓監視繼電器的通常動作不受交流電源故障的情況影響，確保監視開關電路的穩定動作。

3.3 傳感器及控制保護系統隱患分析及防范措施

通常換流站的閥水冷系統的傳感器是雙重結構。測量一個傳感器時的誤差不通過水冷系統的保護口，但需防止主泵前后內部冷卻水的溫度、流量和水壓的測量誤差等傳感器的測量誤差。影響水冷卻控制功能。閥水冷控制、保護系統的電子設備需要環境溫度和清洗，確保控制、保護裝置的運行環境。閥水冷控制和保護系統有兩套，在兩個系統的控制和保護系統之間進行通信。如果兩個系統之間的通信設計不合理，則兩個系統在通信故障之后可終止操作狀態。閥水冷系統的控制、保護和監視功能有多個，由監視系統設計的事件記錄完整，序列應該正確。如果裝置的事件記錄的順序有誤或者省略了相關事件記錄，水冷系統的監控、分析和判斷會受到影響。

整改措施：需要余化改造傳感器件，加強傳感器回路抗干擾性能，尤其是閥廳里的傳感器，如膨脹水箱液位、冷卻塔的壓力等，加強傳感器使其本體接地，要保證接地線可接地，并將抗干擾磁環增加到傳感器回路中，著力減少測量數據誤差，以確保測量數據正確性[2]。

3.4 閥外冷系統水池水位傳感器

外部冷卻池的水位傳感器是單一結構，當水池的水位低于80%時系統開始啟動工業化補水泵，以補充因冷卻而消耗的外部冷卻水。當測定值等異常達到90%以上時外部冷水等級控制功能失效，補水泵則不開始補給水。當外部冷卻水池內的水被耗盡時，噴霧泵在空轉情況時變得容易燒壞，對內部冷卻水的冷卻效果產生嚴重影響，內部冷卻水的溫度如果超過上限，閥組就會發生跳閘。

整改措施：將外部冷卻池的水位傳感器做到冗余轉換，可將單個電阻水位傳感器改變為與浮動球水位傳感器并行邏輯連接，以避免由于單個傳感器的故障而引起的測量異常，并提高池的水位測量的可靠性。在轉換完成之前可每天檢查外部冷卻水箱的實際水位，通過監測工作站可觀察和分析外部冷卻水位數據，并可由此得知一定程度的傳感器異常狀態。

3.5 閥水冷系統地下穿線管隱患分析及防范措施

特高壓換流站的水冷閥采用了沉沒的噴霧池和沉沒的噴霧泵坑（位于4m的地下）的設計。許多內部的電線和控制線必須從地下螺紋管引導到地面相關的力量或控制面板和柜。由于水位低，無法采取防水措施時，可擰入管道進行多個泵連接。斷線管的電源電纜和控制電纜可浸水，以引起絕對降低、功率損失、信號或控制電源的供應、設備的操作的紊亂和閥門組的強制關機。

整改措施：在低地形的滑動管中，使用積分不銹鋼管減少焊接。整個管道的彎曲被用于車削。如果需要焊接，則完全焊接，不允許點焊連接。進水管的腐蝕（腐蝕坑或腐蝕穿孔）位于管內壁上側，在不同的孔徑下會產生不同的滲流，位于焊接處采取防水和防蝕措施。

3.6 閥水冷泵坑設備室地面隱患分析及整改措施

閥水冷泵口具備噴霧泵、自循環泵和其他重要電氣設備。水泵坑距離地面4米，由于沒有空調和其他濕氣驅動裝置，長時間呆在陰暗潮濕的地方，由于濕度的原因地面會形成積水，對電器的正常運轉造成不利的影響，如噴淋水、自循環等電器設備的絕緣性能下降，從而影響其使用壽命，嚴重的話會造成設備故障，且長時間的積水會對正常的檢查、操作和維修工作造成不利。

整改措施：設備設置后，地面平整，為了防止積水傾斜。為了達到除濕的目的，可在泵口設置濕式驅動裝置或空調機[3]。

綜上，換流站的閥水冷系統可保證控制轉換器閥的溫度在正常范圍內，是換流站最重要的輔助系統。目前，我國南部的一些輸電換流站因閥水冷系統常常因發生故障而關閉。閥水冷系統結構復雜，包括各種泵坑、管道、閥門、風扇和傳感器。通過對閥水冷系統故障及隱患進行全面分析，從設計、安裝、操作、運維等多角度進行優化處理，進而讓換流站的閥水冷系統運行穩定性得以提升。