直流换流站换流阀清灰工具研制及应用

高 炜，马 龙，刘 冬

（国网山东省电力公司检修公司，山东 青岛 266300）

直流换流站换流阀清灰工具研制及应用

高 炜，马 龙，刘 冬

（国网山东省电力公司检修公司，山东 青岛 266300）

换流阀是交直流转换的核心设备。胶东换流站自投运以来阀厅内换流阀积灰现象严重，影响设备运行稳定性，传统的人工清灰方式风险高、难度大、耗时长，影响直流输电系统供电时间。通过对胶东换流站换流阀积灰原因进行分析，对如何减少换流阀阀塔灰尘进行深入研究，研制出换流阀清灰工具。该工具主要由除静电装置、除尘装置和灰尘回收装置组成，可实现中和静电、吹除灰尘和回收扬尘3项功能，能有效清除换流阀积灰，提高检修工作效率。该工具已在国内8个特、超高压直流换流站成功应用，经济效益显著，具有较高的实用推广价值。

换流阀；阀塔积灰；直流换流站；专用清灰工具

0 引言

换流阀是换流站内交直流相互转换的核心设备，悬吊安装在密闭的阀厅中，主要功能是实现将交流电转换为直流电，或者将直流电转换为交流电［1-3］。胶东换流站每个阀厅安装有6个阀塔，在常年带电运行过程中，运维人员发现换流阀阀塔内外积附大量灰尘，严重影响换流阀安全稳定运行，换流阀运行规程中要求定期对换流阀进行清灰。但由于换流阀设备的特殊结构及传统清灰方式的弊端，阀塔清灰一直是国内直流换流站换流阀设备运维的一项难题。

1 换流阀积灰情况分析

1.1 换流阀积灰情况

如图1所示，阀塔是换流阀的基本组成单元，它主要由阀模块组成，阀模块内包含光纤、门极控制单元板卡、晶闸管、阻尼电阻、阻尼电容、阳极电抗器、冷却水管等元器件，把多个阀模块上下叠放串联连接在一起，顶部和底部分别安装屏蔽罩，就组成了一个阀塔［4-5］。

胶东换流站在年度检修期间，发现双极阀厅内积灰现象严重，地面积灰厚度达2 mm，换流阀阀塔上也积落了大量灰尘，如图2～3所示。阀塔内部各元器件表面的灰尘如果长时间不清除，势必会导致内部各元件发热、绝缘降低、寿命缩短，引起内部元件放电，造成门极控制板卡和晶闸管故障，甚至会导致直流闭锁。

图1 换流阀组成

图2 阀塔门极板积灰情况

图3 阀塔光纤积灰情况

1.2 阀厅积灰原因分析

阀厅外墙壁封闭不严。阀厅内、外墙壁采用彩钢板组装而成，连接处采用螺栓紧固，但是运行过程中发现，由于螺栓设置密度偏低，在两个紧固螺栓间由于风吹日晒会造成彩钢板轻微变形，出现缝隙，灰尘会从缝隙内进入阀厅［6］。

阀厅外侧大门存在缝隙。胶东换流站所处地带大风天气较多，大风卷带尘土易从缝隙吹进阀厅。

阀厅空调过滤装置存在问题。阀厅空调主要作用是调节阀厅环境温度和湿度，并保持阀厅微正压。按照直流换流站阀厅空调系统设计规范的要求，当阀厅的压差传感器检测到阀厅内的正压小于5 Pa时，可逐步开大新风阀的开度，直至阀厅内压差在5～10 Pa之间，机组送风净压为450 Pa［7］。现场空调机房自控PLC触摸屏显示送风静压在180～220 Pa，阀厅微正压显示0.0 Pa和0.3 Pa，不满足设计要求。

强静电吸附。换流阀运行时强直流电场使得阀塔内部各元器件具有强静电［8-9］，使用静电电压测量仪测试静电电压高达830 V，静电吸附空气中的灰尘，积聚在阀塔内部各元器件表面。

针对上述积灰原因，胶东换流站于年度检修期间采取了一系列的措施：加固阀厅外墙，增加彩钢板对接处紧固螺栓的密度，减小缝隙，同时在盖缝板及压型钢板搭接处的缝隙打密封胶；阀厅外侧大门增加门斗，同时对大门的缝隙、电缆沟盖板缝隙等进行封堵；对极I空调空气单元2号机组风机进行换型，风机功率由30 kW增至37 kW，对空调空气单元新风口进行扩大，以满足阀厅5～10 Pa微正压要求［7］。采取上述措施后，积灰程度已有明显减少，但是换流阀阀塔上依然积灰严重。

1.3 换流阀阀塔传统清灰方式

目前国内直流换流站采用的方式是由检修人员乘坐阀厅升降车，钻入阀塔内部用电力纺、毛刷、超细纤维抹布对换流阀阀塔上的灰尘进行清理，或用抹布蘸酒精对元器件进行擦拭。胶东换流站换流阀为AREVA技术的H400型换流阀，阀塔尺寸长5.5 m，宽3.89 m，高13.92 m［10-11］，传统清灰方式存在一些问题。

阀层横截面积大（3.8 m×5.5 m），阀层内部空间狭窄，如图4所示，层间距只有40 cm。底层阀塔距离地面11 m，上层阀塔距离地面20 m，工作人员进入工作时，一是增加了作业人员的风险与监护难度，二是易踩踏冷却水管、光纤和接线，易造成光纤损坏、内冷水管漏水等一系列严重后果。

图4 阀塔层间距平视图

由于元器件排列紧密，采用电力纺、毛刷、超细纤维抹布伸到缝隙内进行灰尘清除，操作不当容易造成元器件损坏。

检修人员数量多，但是阀塔传统清灰方式费时费力，导致工作效率很低。

2 换流阀清灰工具研制

针对现场实际困难和需求，提出对传统清灰工具进行技术改进。文献［12］是以水泥、冶金等行业烟道烟尘除尘的静电除尘器为研究对象，对自动控制系统的研究；文献［13］是以高压静电除尘器为研究对象，对静电除尘器电源进行的研究。以上参考文献均未针对特、超高压直流换流阀运行环境及环境对换流阀运行的影响进行研究分析。换流站阀厅的布局及结构特点决定了静电除尘器不适用于换流阀除尘。因此，研制了专用于换流阀阀塔清灰的工具，使用该工具可以消除阀塔静电影响，实现在高空作业车上多角度对整个阀塔进行清灰，工作人员不需要钻入阀塔内部工作，既保证人员和设备安全，又显著提高工作效率。

换流阀清灰工具主要由增压系统和阀塔工作部分组成，如图5所示，其中阀塔工作部分又包括换流阀清灰工具箱和除尘装置。增压系统的功能是增压产生压缩空气，将出气压力控制在合理的范围之内，通过连接管路输出到过滤系统，在过滤系统经过过滤和干燥将气体中的油、水分、杂质等滤除掉，防止污染设备，静电清除装置将过滤后的纯净空气电离成等量的正负离子，利用除尘装置的喷气口喷射到元器件表面，中和设备表面静电的同时压缩空气将灰尘清除，最后利用灰尘回收装置进行回收，避免二次污染。

图5 换流阀清灰工具设计结构

3 主要功能

3.1 消除静电影响

换流阀阀塔在运行过程中产生强电场，直流系统停运后，换流阀阀塔依然带有强静电［8］，阀厅内灰尘由于静电作用，紧紧吸附在阀塔元器件表面，使用静电测量仪测量静电电压值约为830 V，该工具通过离子发生器产生4 kV高压施加于放电针上，将气体电离出正负离子，同时利用高压气体发生装置产生高压气体，将正负离子吹向元器件表面，将元器件表面静电消除至低于50 V，消除静电影响，静电消除原理如图6所示。

图6 静电消除原理

3.2 对气体油水分离及过滤干燥

管路设置过滤系统，两级过滤对高压气流进行油水分离、过滤干燥等处理，确保输出气体清洁无污，两级过滤系统如图7所示。

3.3 合理控制输出气压

通过查阅资料和试验，当输出气体压力超过0.8 MPa、喷气口与门极单元板距离小于10 cm时，门极单元板和分压板出现明显振动，为防止出现脱焊、接触不良等现象，设计出口压力阀，通过调节压力阀将出气压力控制在0.6～0.7 MPa。

表1 2015年检修阀模块灰尘量统计 mg／cm2

图7 两级过滤系统

3.4 对灰尘进行二次回收

阀塔清灰工作进行过程中，由于阀塔内部元器件较为密集，吹起来的灰尘将向四周扩散。向上腾起来的灰尘可能再次回落到表面，影响清灰效果，为了将腾起的灰尘尽可能收集，在喷气口上方设计圆形灰尘回收管，如图8所示，通过管路连接灰尘回收装置，对腾起的灰尘进行二次回收。

图8 环形吸口示意

4 现场应用及经济效益分析

4.1 现场应用

当板卡的积灰量为7.1 mg／cm2时，其运行温度可达55℃的上限值。查阅历年淸灰记录得知，元器件年积灰量最严重时约为4.19 mg／cm2，为了确保淸灰效果，再增加20%的裕度，最终目标值定为将灰尘量清除至不超过：7.1-4.19×（1+20%）=2.07（mg／cm2）

2015年胶东换流站年度检修期间，检修人员利用换流阀清灰工具对双极12个阀塔进行清灰，并随机抽取12个阀塔中10个阀模块进行效果检查，如表1所示。检修后对阀模块内各元器件表面剩余灰尘量进行采样统计，经统计元器件表面灰尘量平均已降至0.45 mg／cm2，远远低于目标值2.07 mg／cm2，满足板卡正常运行要求。

工作人数由6人减至2人，每个阀模块清灰工作时间由平均0.97 h减至0.20 h，换流阀阀塔清灰工作提前5 d完工。

4.2 经济效益分析

胶东换流站双极阀厅共有12个阀塔，每个阀塔包含有18个阀模块，采用传统清灰方式清理每个阀模块需要0.97 h，使用换流阀清灰工具开展清灰工作清理每个阀模块需要0.20 h，按照银东直流系统双极电力输送能力400万kW／h计算，胶东换流站年度检修提前1天送电即可创造经济效益0.662亿元，2014—2015年每年经济效益可达3.64亿元。即y=sntPF=18×12×（0.97-0.2）×400×0.546 9≈3.64（亿元）。

式中：y为每年经济效益，亿元；s为每个阀塔中阀模块数量；n为阀塔数量；t为清扫每个阀模块节省的时间，h；P为银东直流系统双极满负荷每小时输送电量，kWh；F为山东居民用电价格，元／kWh。

换流阀清灰工具目前已在国内8个换流站使用（胶东、银川东、哈密、郑州等），并且对于不同电压等级、不同结构的换流阀具有极高的通用性，提高了换流阀检修工作效率及工作安全性，具有较高的实用推广价值。

5 结语

换流阀清灰工具的研制解决了目前国内换流站换流阀阀塔清灰的难题，提高了阀塔内设备元器件的绝缘水平，为直流输电系统的稳定运行提供了保证。研制的换流阀清灰工具不仅适用于±660 kV直流输电，而且适用于±800 kV、±1 100 kV及其他特高压直流输电等级，具有较高的实用推广价值，为换流阀阀塔检修工作标准化提供新思路。

［1］刘本粹.西北电网外送暨宁东—山东±660 kV高压直流联网示范工程浅议［J］.电网与清洁能源，2010，26（1）：9-13.

［2］赵畹君.高压直流输电工程技术［M］.北京：中国电力出版社，2011.

［3］韩民晓，文俊，徐永海，等.高压直流输电原理与运行［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［4］廖敏，杨晓楠，栾洪洲，等.±660 kV直流输电工程换流阀结构设计［J］.电力建设，2011，32（7）：16-20.

［5］杨晓楠，汤广福，彭玲，等.±660 kV直流输电工程换流阀电气设计综述［J］.电力建设，2011，32（7）：11-15.

［6］张凌，杨金根，曾静.特高压阀厅电气设计研究［J］.电力建设，2007，28（5）：12-16．

［7］张志军，郑劲，陈东.特高压直流输电工程高端阀厅空调通风系统的设计［J］.电力建设，2009，30（9）：15-19.

［8］张静岚，卢铁兵，齐磊，等.±800 kV直流换流阀模块内部电场仿真对比分析［J］.智能电网，2015，3（6）：542-551.

［9］彭玲，高冲，杨晓楠，等.±660 kV直流输电工程换流阀运行试验研究［J］.电力建设，2011，32（7）：39-43.

［10］国家电网公司运维检修部.直流换流站运维技能培训教材：换流阀及阀控系统［M］.北京：中国电力出版社，2012.

［11］中国电力科学研究院.青岛换流站换流阀设计报告［R］.北京，2010.

［12］秦长葳.高压静电除尘自动控制系统研究［D］.淄博：山东理工大学，2013.

［13］廖谷然.72 kV／1.0 A静电除尘用高频高压电源的设计与实现［D］.太原：太原理工大学，2013.

Development and Application of Converter Valve Soot Cleaning Tools in DC Converter Station

GAO Wei，MA Long，LIU Dong
（State Grid Shandong Electric Power Maintenance Company，Qingdao 266300，China）

Converter valves are the core equipment of AC／DC conversion.Since the Jiaodong DC converter station has been put into operation，the equipment operating stability has been affected because of serious dust stratification on converter valves. The traditional manual soot cleaning method is high risk，difficult and time-consuming，which affects the power supply time of DC transmission system.By analyzing the reason of ash deposition of converter valves，a soot cleaning tool for converter valves is developed which consists of electrostatic removal device，dust removal device and dust recovery device.The tool can achieve three functions including electrostatic neutralization，blowing dust and dust recycling.It can effectively remove the ash of converter valve towers and can improve the efficiency of maintenance work.The tool has been successful applied in eight domestic HVDC converter stations， the application effect shows that it has a good economic benefit and high practical promotional value.

converter valve；valve sections dust；DC converter station；special cleaning tool

TM723

B

1007－9904（2017）02－0062－05

2016-10-17

高 炜（1982），男，中级工程师，从事特高压直流换流站设备检修工作；

马 龙（1976），男，高级工程师，从事特高压直流换流站管理工作；

刘 冬（1978），男，中级工程师，从事特高压直流换流站管理工作。