高压直流换流站常见故障及其对策

张国栋

摘要：高压直流（HVDC）输电以其在长距离大容量输电、海底电缆输电和非同步联网等领域的独特优势而得到了广泛应用，目前世界范围内已投运了100多个直流输电工程。直流投运以来基本上在大负荷方式下运行，总体运行情况良好，主设备性能稳定，控制与保护及辅助系统比较可靠，为西电东送发挥了重要而积极的作用。但运行中不断暴露软、硬件缺陷，也发生了多起因直流设备故障引起的闭锁和强迫停运事件，直接影响直流输电可用率，严重时导致设备损坏、直流闭锁、电网失稳甚至局部崩溃。

关键词：高压直流输电；换流站；设备故障

中图分类号：TM72 文献标识码：A

通常将整个高压直流输电系统当中，为了实现交流电与直流电转化，同时确保电力系统所提供电能质量安全可靠的站点定义为换流站。当前我国电网系统当中的换流站设备数量不断提升，为了做好换流站的安全保护工作，就需要对各种常见的设备故障问题加以全面分析，研究相应的防护措施，做到有备无患，从而提高其运行质量。

1 换流站的主要设备

高压直流输电（HVDC）系统中，换流站是实现交流电和直流电相互能量转换的系统，是直流输电的中心环节，是联络交流电力系统和直流输电的枢纽。换流站主设备包括直流场设备和交流场设备，直流场设备是主要部分，包括换流变压器、换流阀、平波电抗器、无功补偿设备、直流保护控制系统等。在换流站主设备中，换流变压器、换流阀、直流控制保护系统是主要设备，辅助设备包括站用电、消防、寻呼及监视等系统。两端换流站由交流部分和高压直流组成，并通过直流线路相连。其中，柴达木换流变电站的330kV交流场为一个半断路器接线，共13串，与高压直流相关的设备主要有交滤波器组，换流变压器和交流PLC滤波器等。400kV直流场按可实现单极大地返回，单极金属返回、单极双导线并联运行及双极运行等四种运行方式进行配置，主要设备有平波电抗器、复合型光TA/TV、直流滤波器及直流开关等。

2 换流站直流设备存在的常见故障

2.1 换流阀设备故障

国内换流站使用换流阀均采用悬吊式阀塔和水冷却结构。每个阀塔有多个阀层组成，阀层内串连若干组晶闸管级。各厂家的换流阀结构、元件基本相似，有内部布局各有不同。有统计资料表明，换流阀设备故障率较低，年平均故障率为1.3次/年，需停电处理的故障率为0.21次/年。换流阀设备的停电故障多出现在新设备投运的前两年中，以后逐渐平稳，在运行超过10年后故障率会逐渐升高。部分设计失误或安装工艺问题，往往会造成换流阀闭锁，直流停运的严重后果。

2.2 其他常见故障

①水冷却系统故障。主要由内冷水压力、电导率、温度和控制系统故障等原因造成。在天生桥换流站，水冷却系统故障多为阀塔均压电极的水冷却密封圈漏水和内冷水压力异常引起。②直流控制、保护系统故障。直流的保护和控制系统多为双重化配置，当两套系统同时故障或失电时将引起直流的双极闭锁。在天生桥站，此类障碍中以直流极控系统SIMADYND的插件故障引起两套系统切换不成功引起直流闭锁居多。③交流电压异常造成直流闭锁。在直流的极控保护中，当检测到换流变侧的交流电压低于或高于额定30%均会引起直流系统的双极闭锁。④站用电故障引起直流系统跳闸。在切换站用电时，切换不成功引起两套直流保护失电或阀冷却系统主泵失电，将引起直流跳闸。⑤无功不足造成输电受限。由于交、直流滤波器为直流输电提供无功补偿，当交、直流滤波器故障，引起无功缺少，将直接影响直流的功率传输。⑥两套局域网或光纤环网同时故障，造成直流站控系统无法获取数据，引发双极闭锁。

3 故障的解决措施

3.1 水冷却系统

①针对阀塔设备漏水引起强迫停运，在直流停电检修期间，拆除双极阀塔所有汇流管与小水管用纯净水清洗，冲洗进入内冷水系统的环氧树脂粉，防止密封垫圈被腐蚀。②每周对阀塔设备进行红外线巡视至少一次。巡视重点为阳极电抗器、电阻器、TE板等设备有无发热。③在直流系统停电期间，若時间允许应进入阀厅检查均压电极密封垫圈和水冷阻尼电阻的水管接头，发现腐蚀垫圈、水管接头被堵塞应立即处理。停电检查2月一次为宜。④针对管道有气泡引起压力异常造成多次强迫停运，在补充内冷水时必须按规程操作，补充合格的纯净水，并进行多次管道排气。补水完毕后静置24h后方可启动直流系统。

3.2 直流控制、保护系统

①正常情况下，极控系统应始终保持在自动切换状态，直流极控和站控系统必须确保双套系统（主运和备用）均正常。②每天巡视极控和直流保护系统，出现插件告警立即申请处理。③在极1、极2运行期间，禁止在交流进线开关和换流变进线的TA回路上工作。④加强极控系统备品插件的管理，确保重要插件备品充裕。发现极控系统的SIMANDYND电源插件故障，检查相应的极控系统已在备用状态，事故处理完毕后将极控系统的切换方式设置为自动。

3.3 站用设备防护

第一，对于换流站运行系统当中如阀冷却系统以及换流变冷却系统等一类关键性的系统而言，由于其负荷水平会直接对系统运行安全性产生影响，因此，需要确保其分别对应有两路完全独立的电源完成供电任务。假如在实际工作中任意电源出现故障，则需要及时在两路供电电源中进行倒换，使系统始终对应有两路电源完成供电工作。第二，若换流站运行期间发生站用直流系统接地告警的问题，需要工作人员及时对其进行检查，找准发生问题的部分，并及时加以处置。考虑到户外端子箱在外部环境湿度较高的情况下容易发生受潮问题，因此需通过加大巡检频率的方式，避免户外端子箱因受潮而出现直流接地的故障。第三，需要对换流站站用设备所使用的UPS电源进行全面监督控制，确保其供电的不间断性。

3.4 防范交流电压异常引起直流侧事故

①直流运行期间，禁止在换流变进线的TV回路工作。②直流停电期间，检查直流极控的交流电压和交流电流回路，紧固相应的端子，防止端子松动。③若交流侧输电线路跳闸，应尽量避免在换流站侧对线路充电，避免因电压冲击导致换流变侧电压波动。④若换流变进线引自3/2接线的出线，则换流变所在的串严防解环运行。⑤加强避雷器的日常巡视，防止避雷器故障、雷击造成换流变过电压。

3.5 防止直流双极闭锁

①确保阀冷却系统、换流变冷却系统等重要的负荷各有两路完全独立的电源供电，任一电源有问题须尽快倒换，确保始终有两路电源供电。②定期检查电缆通道，封堵电缆通道孔，防止小动物破坏。③出现站用直流系统接地告警，立即检查并及时处理。进入雨季前，检查户外端子箱，防止受潮引起直流接地。④核算站用直流系统各级熔断器（空气开关），防止熔断器越级熔断。⑤定期检查蓄电池和充电机设备，确保正常运行，并对备用的充电机定期进行轮换试验。⑥加强对UPS（不间断电源）的监视，确保正常。

综上所述，分析了高压直流输电换流站设备的常见障碍类型，阐述了直流一次设备、二次设备和辅助设备的故障特点，提出了高压直流设备故障的处理和预防措施。运行实践表明，该措施切实有效，可减少设备事故、提高直流输电可用率。许多高压直流输电核心技术在我国尚未取得完全突破，还需加大直流输电运行、维护经验的积累交流，探索运行规律并提高维护水平。

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