HVDC阀水冷系统主循环回路电动阀隐患分析

黄晨，刘源，康文

(国网湖南省电力公司检修公司，湖南长沙410007)

HVDC阀水冷系统主循环回路电动阀隐患分析

黄晨，刘源，康文

(国网湖南省电力公司检修公司，湖南长沙410007)

文章以鹅城换流站阀水冷系统为例，通过分析主循环回路中电动阀的控制逻辑，指出其中存在导致直流系统闭锁的隐患，提出的应对措施避免因电动阀门故障导致直流系统闭锁，保证了换流站的安全稳定运行。

HVDC；换流站；阀水冷系统；电动阀；隐患分析；直流闭锁

换流阀冷却系统是直流输电系统换流阀的重要组成部分，它将换流阀运行时产生的高热量排放到阀厅外，保证阀体温度运行在正常范围内〔1－3〕，因此阀冷却系统的稳定运行对直流输电系统的安全稳定运行有着至关重要的作用。

阀内冷水系统是一个密闭的循环系统，其主循环回路由电动阀门控制切换，若电动阀门故障将会导致内冷水保护动作，甚至引起直流系统闭锁〔4〕，鹅城换流站就曾发生过电动阀门误动作导致的内冷水泄漏保护误动作的故障〔5〕。以±500 kV鹅城换流站为例，对基于ABB技术的阀水冷系统主循环回路中电动阀存在的隐患进行了分析介绍，并提出了相应的解决措施。

1 阀冷却系统

1.1 阀冷却系统构成

阀冷却系统可分为外水冷系统和内水冷系统。其中内冷水系统是一个密闭的循环系统，通过循环泵将经外水冷系统冷却后的循环水送至换流阀内，吸收其运行过程中产生的大量热量，带走热量的内冷水经外冷水系统冷却后，再开始下一个冷却循环；冷却水的水温、流量和电导率是影响阀水冷系统正常运行的主要因素〔6〕。

1.2 阀水冷控制保护系统 (CCP)

阀水冷控制保护系统实现对内冷水与外冷水系统的监视与控制，同时完成与对应的极控系统信息的交换，主系统故障时将自动、快速、平滑的切换至备用系统，2套系统均故障则启动直流输电系统强迫停运〔2，6〕。

2 电动阀门故障分析

2.1 内冷水主循环回路中的电动阀门

阀水冷系统主循环回路中的电动阀门主要包括切换阀门K5，K6和旁通阀门K7，K8，其中K5与K7阀门位于同一回路中，K6与K8阀门位于同一回路中，主循环回路中的电动阀门位置如图1。

图1 主循环回路中的电动阀门位置

电动阀均由阀水冷控制保护系统 (CCP)自动控制，其中K5，K6阀门各控制1条主水管道，每周切换1次；旁通阀K7，K8与阀门K5，K6一一对应，负责内水冷系统的内外循环切换〔7〕。

运行经验证明，鹅城站K5，K6及K7，K8阀门近年故障时有发生 (见表1)，严重威胁直流输电系统的安全稳定运行。

表1 电动阀门故障统计 次

2.2 阀门故障分析

2.2.1 阀门的控制逻辑

1)切换阀门K5，K6控制逻辑

K5，K6阀门控制逻辑如图2所示，K5，K6阀门的切换有2种情况:

①周切换:由于与主泵切换采用的是同一个计时器，故K5，K6阀门的切换与主泵的切换一同进行。当计时器达到一周时，先进行主泵切换，若无K7，K8阀门故障信号，3 min后切换 K5，K6阀门。

②故障切换:若K7阀门故障，控制系统认为在同一支路上的K5阀门不可用，将切换至K6回路运行；同样，若K8阀门故障，系统将切换至K5回路运行。

图2 阀门控制逻辑

2)旁通阀门K7，K8控制逻辑

阀水冷系统的内外循环切换是通过电动阀K7，K8的分合实现。当电动阀完全闭合时，内冷水为外循环；当电动阀完全打开时，内冷水为内循环；当电动阀呈不完全打开状态时，内冷水一部分外循环，一部分内循环。其控制逻辑如图3。

图3 阀门控制逻辑

①外循环

当阀进水温度高于12℃时，系统发指令让电动阀闭合，在电动阀转动的过程中，若阀进水温度持续高于11℃，则该指令一直发出，直至电动阀完全闭合，内冷水为完全外循环。

当冷却塔出水温度低于3℃时，内冷水的加热器已开启，为防止室外内冷水冻结，系统发指令让电动阀闭合，使其进行外循环，若冷却塔出水温度持续低于5℃，则该指令一直发出，直至电动阀完全闭合，内冷水为完全外循环。

②内循环

当阀进水温度低于8℃时，系统发指令让电动阀分开，在电动阀转动的过程中，若阀进水温度持续低于9℃，则该指令一直发出，直至电动阀完全分开，内冷水为完全内循环。

③中间状态

内循环转为外循环的过程中，若阀进水温度低于11℃，则停止发闭合指令，且只要温度在8～12℃变化范围内，阀门将一直保持现有状态，即内冷水一部分为内循环，一部分为外循环。

外循环转为内循环的过程中，若阀进水温度高于9℃，则停止发分开指令，且只要温度在8～12℃变化范围内，阀门将一直保持现有状态，即内冷水一部分为内循环，一部分为外循环。

2.2.2 阀门故障原因分析

主循环回路中电动阀门的故障一般由水质因素〔2〕、阀门机械故障、控制回路故障等原因造成。

检测结果知，鹅城站阀水冷系统水质状况良好，金属离子较少，无大量水垢存在的现象，阀门因水垢等原因造成无法正常动作的可能性并不大。

2014年度阀水冷系统水样检测结果见表2。

表2 2014年度阀水冷系统水样检测结果

鹅城站于2004年6月双极正式投运，运行超过10年，设备已进入老化期，电动阀门在工作过程中极有可能发生由于电机老化故障导致的阀门无法正常动作。

式(7)中:Et为发射信号的能量;Er为接收信号的能量;ϖhh(τ,ξ)为混响信道散射函数;χ(τ,ξ)为信号模糊函数。从式(7)中可看出，信号模糊函数与混响散射函数重叠面积的减小使目标检测性能得以提高。

主循环回路电动阀门的工作状态由阀水冷控制保护系统 (CCP)中的PS830和PS853进行控制，当板卡或阀门控制回路中的继电器工作异常时，均有可能导致阀门故障。该站2012年曾发生过由于PS853板卡工作异常导致的K5阀门故障。

3 隐患分析及改进建议

3.1 切换阀门K5，K6隐患及改进措施

设计切换阀门K5，K6的主要目的是配合旁通阀门K7，K8进行内外循环切换，而每周定期切换阀门则是为了保证电动阀的可靠性。

电动阀K5，K6在打开与关闭状态下的切换需要约10 s的时间，其切换遵循 “先开后关”的原则。正常情况下阀门的切换过程如下:切换阀门的指令→打开备用阀门→系统收到备用阀门打开的信号后关闭之前运行的阀门，从而完成一次电动阀的切换。

以打开K6阀门、关闭K5阀门过程为例，若K6阀门在未完全打开前其位置指示信号K6_OPEN _IND由于故障变为1，控制系统CCP收到K6阀门已完全打开的错误信号后，停止打开K6阀门同时关闭K5阀门，导致主循环回路中的水量减小，这将直接影响阀体元件的散热效果，并可能引起流量保护动作闭锁直流。此外，电动阀K5，K6使用已超过10年，随着使用年限的增加，阀门的机械磨损会逐年增加，未来该阀门故障几率将成几何级上升，一旦阀门切换过程中发生故障，就有可能导致直流闭锁甚至换流阀元件损坏。

实际运行经验表明，即使K5，K6阀门故障，旁通阀门K7，K8也可以顺利完成内外循环切换。可见实际运行过程中，切换阀门K5，K6不仅在内外循环切换未起到配合作用，反而增加了直流系统闭锁风险。因此，可考虑修改CCP软件逻辑，正常运行时取消K5，K6阀门的自动周切换功能，使阀门一个保持在打开状态另一个在关闭状态或2个阀门均在打开状态，避免切换阀门过程中的直流闭锁风险；对于新建工程，建议设计时取消电动阀K5和K6，改用机械阀门进行连接，防止由于电动阀故障导致直流系统闭锁。在最新投运的哈郑特高压直流输电工程中，其阀水冷系统中已取消主循环回路电动阀K5和K6的周切换功能，系统运行状况良好。

3.2 旁通阀门K7，K8隐患及改进措施

由于未考虑运行实际，该站阀水冷系统也设置了内外循环功能。2008年2月3日，曾发生过由于内外循环切换导致内冷水泄漏保护误动故障〔9〕。虽然在这之后ABB将内外循环切换定值由20℃改为10℃，但这只是降低了发生内外循环的概率，并没有从根本上消除内外循环的风险。

鹅城站位于南方炎热地区，即使在冬季直流系统轻载运行时，阀进水温度始终高于20℃，因此K7和K8阀门始终处于外循环状态，不会发生切换到内循环运行的情况。如果一旦因温度测量不准确、控制板卡故障或电源波动等，导致K7和K8阀门误转为内循环状态，此时相当于冷却塔被隔离，系统冷却能力将大大降低，水温快速上升将导致极闭锁。建议将K7和K8阀门控制方式打至手动，并断开其控制电源和电机电源，确保该阀门不会误动；对于新建工程，若换流站所在地域常年高温炎热，设计时即可考虑取消K7和K8阀门和内外循环功能，这样既能减少设备投资，又能避免内外循环切换导致的直流系统闭锁风险。

4 ABB与西门子阀冷技术的对比

换流站阀水冷技术主要分为2种路线:一种为ABB技术路线，另一种为西门子技术路线。目前国网公司换流站多是基于ABB技术的阀冷系统，而南网公司多数换流站采用的是基于西门子技术的阀冷系统。

图4 某换流站阀水冷系统图

图4 为基于西门子技术的某换流站阀水冷系统结构，其主循环回路设计较为简单，没有切换阀门K5，K6和旁通阀门K7，K8，只有1条主管路从主循环泵连接至换流阀。

ABB阀冷系统的源自人口稀少、位于高寒地区的瑞典，旁通阀门的设计可以减少阀冷却系统能耗。而我国人口众多，国内的直流系统常年大负荷运行，旁通阀门不仅未能起到减少能耗的功能，相反还增加了直流系统的闭锁风险。因此，相较于ABB阀冷技术，西门子公司的设计不仅减少了设备投资，又能有效避免电动阀故障导致的直流系统闭锁风险。2012年投运的±800 kV同里特高压换流站，其阀水冷系统中设计时就取消了切换阀门K5， K6和旁通阀门K7，K8。

5 总结

换流站阀水冷系统设计复杂，各类传感器、阀门、管道接头及旋转设备较多，且由阀水冷系统故障导致的直流系统停运占直流系统闭锁停运的比率较大，因此应加强对阀水冷系统的隐患分析和治理〔10〕。基于ABB技术的阀冷系统，由于未考虑运行实际，其主循环回路中设计的切换阀门和旁通阀门，不仅加大了设备投资，而且增加了直流系统的闭锁风险。在运换流站建议断开切换阀门和旁通阀门的控制电源和电机电源防止阀门误动，后续新建换流站的阀水冷系统设计时应取消主循环回路中的切换阀门和旁通阀门。

〔1〕赵畹君.高压直流输电工程技术〔M〕.北京:中国电力出版社，2009.

〔2〕段涛，杨斌，李贤庆，等.±500 kV换流站阀水冷系统隐患分析治理〔J〕.电力系统保护与控制，2014，42(18):132-138.

〔3〕田庆.直流输电工程阀水冷系统缺陷分析〔J〕.高压电器，2012，48(8):80-85.

〔4〕罗德彬，汪峰，徐叶玲.国家电网公司直流输电系统典型故障分析〔J〕.电网技术，2006，30(1):35-39.

〔5〕国家电网公司运行分公司.换流站单双极闭锁报告汇编〔M〕.北京:中国电力出版社，2009.

〔6〕李爱生，朱韬析.直流输电工程中阀水冷监控系统的改进建议〔J〕.电力系统保护与控制，2010，38(16):153-156.

〔7〕国网湖南省电力公司检修公司.鹅城换流站运行规程〔S〕.2014.

〔8〕国网运行有限公司.高压直流输电岗位培训教材辅助设备分册〔M〕.北京:中国电力出版社，2009.

〔9〕国网运行有限公司.鹅城换流站2008年2月3日极I内冷水系统泄漏保护动作分析报告〔R〕.2008.

〔10〕姚其新，饶洪林.换流站阀水冷系统隐患分析及治理〔J〕.华中电力，2010，23(5):56-58.

Analysis of hidden dangers on motor valve of main circulating loop in HVDC valve cooling systems

HUANG Chen，LIU Yuan，KANG Wen

(State Grid Hunan Electric Power Corporation Maintenance Company，Changsha 410007，China)

Taking the example of the valve cooling system at Echeng converter station，by analyzing the control logic of motor valve in the main circulating loop，the hidden dangers that may cause DC system block are pointed out in the paper. Countermeasures are presented to avoid potential DC system block due to motor valve faults and ensure the safe operation of the converter station.Recommendations on the future design of the valve cooling system for the new converter station are given and can be used as reference for other converter stations.

HVDC；converter station；valve cooling system；motor valve；hidden dangers；DC block

TM721.1

B

1008-0198(2015)06-0044-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.06.012

2015-04-21 改回日期:2015-07-09

黄晨，男，汉族，湖南郴州人，工程师，大学本科学历，从事高压直流输电系统运行维护工作。