高压直流换流阀冷却水系统优化措施

供稿|李宗红，肖惠宁，周金龙，何潇，郭新良，刘安琳 / LI Zong-hong, , XIAO Hui-ning, ZHOU Jinglong, HE Xiao, GUO Xin-liang, LIU An-lin

作者单位：1. 华北电力大学(保定)，河北 保定 071003；2. 云南电力技术有限责任公司，云南 昆明 650217；3. 云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 650000；4. 云南电网有限责任公司曲靖马龙供电局，云南 马龙 655199

内容导读我国独特的西电东送、南北互供电网发展战略使得高压直流输电在我国具有较好的发展前景。换流阀是高压直流输电的核心设备之一，但其在运行过程中会产生大量的热，这就需要阀冷却水系统对其进行冷却。因此，对高压换流站直流换流阀冷却水处理优化技术研究很有必要。本文对阀冷却水系统隐患进行排查，并提出相应的改进措施，对换流阀的安全稳定运行将具有深远意义，对国内高压直流输电具有借鉴作用。

高压直流输电从1954年问世以来，先后经历了4次大型变革：1954年用汞弧换流器作换流阀；1972年用可控硅阀换流器作换流阀；1976年微型处理器应用于控制保护系统上；20世纪80年代许多新型的电力电子器件如金属氧化物场效应管(MOSFET)、大功率双极晶体管(BJT)等涌现并广泛应用于工业上。这些新设备的不断出现和变革为高压直流输电技术的长足发展提供了契机[1]。此外，高压直流输电与高压交流输电相比具有许多优势：(1)高压直流输电和与之相连的交流输电系统的频率、相位无关。(2)高压直流输电在输电过程中只传送有功功率，并且可以实现大容量、长距离输电。(3)高压直流输电的传送功率(包括大小和方向)可实现快速可控。(4)高压直流输电一次投资较大，后期线路维护调控费用少[2-5]。我国幅员辽阔，西电东送、南北互供的电网发展战略对大容量、长距离输电需求越来越明显，这使得高压直流输电在中国占据着越来越重要的地位[6-10]。

换流阀是高压直流输电系统实现交直流转换最核心和最关键的部件，正常运行时承受着高电压和大电流，其换流阀内部的可控硅元件将会产生大量的热量。这时，为防止可控硅元件温度过高而损坏，就需要设置阀冷却水系统将可控硅元件上多余的热量带走[11-12]。这使得阀冷却水系统成为了一个“属于辅助但实际中却处于绝对核心地位”极其特殊的系统，它直接关系到换流阀运行安全。此外，阀冷却水系统还可直接发出单双极闭锁、停运指令。因此，高效可靠的阀冷却水系统是确保换流阀安全稳定运行的关键。

但实际上，阀冷却水系统的子系统设备较多，是动态运行的而非静止设备。传统惯性思维使得对水系统设备可靠性重视程度远不及电气设备。因此，在实际运行中阀冷却水系统成为高压直流系统中故障概率最高的设备之一，严重影响高压直流输电系统的安全稳定运行。因此，对阀冷却水系统故障进行研究分析，找出阀冷却水系统的隐患，提出相应的防范和解决措施，对换流阀的安全稳定运行将具有深远意义。

阀冷却水系统

阀冷却水系统由阀外冷水系统和阀内冷水系统构成[13]，阀内冷水系统负责将阀组件产生的的热量排放到阀厅外，保证换流阀组件晶闸管在可控的温度范围内运行，然后阀外冷水系统又将内冷水系统的热量带走，排放到大气环境中，保证内冷水系统具有持续的冷却能力。内冷水系统和外冷水系统共同合作完成对换流阀的持续冷却，从而保证了其安全稳定运行。图1为阀冷却水系统原理图。

图1 阀冷却水系统原理图

阀内冷水系统是一个封闭的循环系统[14-17]，由三个主要回路构成：主水回路、稳压回路和水处理回路。图2为阀内冷水系统流程图。如图所示，主水回路由主循环泵、脱气罐、管道等构成；稳压回路由氮气瓶、膨胀罐构成；水处理回路由离子交换树脂、补水泵等构成。主水回路连接换流阀和阀外冷水系统换热器，将热量源源不断地排出换流阀；水处理回路持续地对主水回路的一小部分水进行处理，除去水中杂质并且对补水进行处理，保证主水回路内冷水持续、稳定的质量；稳压回路用于缓冲系统水容积变化、隔绝空气和保持压力恒定等。

图2 换流阀内冷水系统图

阀外冷水系统有两种冷却方式：水冷和风冷。风冷方式适用于寒冷地区，通过风机将冷风吹到换热盘管外表面，使得换热盘管内的阀冷却水得到冷却。水冷则是在冷却塔内通过喷淋外冷水到换热盘表面，使得换热盘管内的阀冷却水得到冷却。相比风冷，水冷方式更具有普遍性，本文主要讨论水冷方式。水冷方式的阀外冷系统也是由三部分组成，分别是软化单元、反渗透单元及喷淋单元。图3为换流阀外冷(水冷)系统图。如图所示，软化单元和反渗透单元设备比较简单，仅仅有软化设备和反渗透设备；喷淋单元比较复杂，由水冷冷却塔、喷淋池及喷淋泵组成。

图3 换流阀外冷(水冷)系统图

故障排查及措施

据不完全统计，1990—2015年，我国29座直流换流站发生过160多次故障，其中故障涉及到直流换流阀冷却水系统有43次，占了总故障次数的1/4。直流换流阀冷却水系统发生的43次事故主要的事故类型有紧急(被迫)停运、跳闸、单(双)极闭锁、告警以及降功率，其中80%的故障造成了严重后果。因此，对直流换流阀冷却水系统进行故障分析以及隐患排查对换流站的安全稳定运行具有深远意义。

外冷水系统缺陷

根据不完全统计显示，直流换流阀出现的43次故障中有8次出现在阀外冷水系统，分别为2次水质故障、3次水淹、1次水位传感器误触发、2次电源故障，并且这8次故障都分别导致了直流换流阀闭锁、跳闸或停运，对换流站的安全稳定运行造成了一定的影响。外冷水系统故障对换流阀运行不是直接的过程而是一个间接的过程，其影响过程如图4所示。外冷水系统出现故障后，会导致冷却容量不足，进而导致内冷水水温过高从而出现闭锁、跳闸及停运的事故发生。

针对外冷水出现的这8次故障提出相应的措施进行解决。对于3次水淹导致的故障重在预防，尤其是在雨量较多的地方建的换流站，应该及时关注天气情况，时常对排水泵进行检查或者是增加排水泵的冗余，减少外冷水系统水淹的可能性。针对2次电源故障解决措施可以是增加站用电供电冗余。对于传感器误触发的故障也是重在预防，应该优化控制系统如采用双传感器。而对于2次水质故障应该引起重视，水质故障是一个累积过程，水质较差在初期是看不出问题的，但是随着运行时间的延长，腐蚀结垢会慢慢累积，最终将会导致较大的故障，引起较大损失。此外，水质较差时，不仅会有腐蚀结垢产生还会有藻类及细菌生长，藻类生长严重情况下会导致其外冷水系统管道堵塞。因此，提高外冷水系统水质状况对阀冷却水系统的长期稳定运行有着较为重要的作用。

图4 换流阀外冷水系统故障影响途径

内冷水系统隐患排查

相比外冷水系统，内冷水系统故障情况就较为复杂多样。在43次与阀冷却水系统相关的故障中有35次出现在内冷水系统，其中电源回路故障6次、控制系统故障8次、机械水路故障19次、水质故障2次。内冷水系统故障类型较多，需要逐个分析其故障原因并提出相应的解决措施。

◆ 电源回路故障

涉及到内冷水系统的电源回路故障有6次，占内冷水系统故障的17%，主要包括电源失电故障和电源切换失败导致的故障，其影响途径都是出现电源回路故障后导致主泵等用电设备停运或者不能正常启动，进而导致单极闭锁或者被迫停运事故。电源失电故障产生原因主要是回路电源采用单回路缺乏备用冗余，一旦线路出现故障就会直接引起电源失电故障。解决措施重在预防，电源供电线路更换为双回路供电，提高其安全稳定性。电源切换故障被报道是在1990年南桥换流站，其主要原因是线路自切回路设计不当，解决方案为优化线路设计。

◆ 控制系统故障

涉及到内冷水系统的控制系统故障有8次，占内冷水系统故障的23%，主要为传感器故障和控制保护故障。传感器故障主要是由于测量误差或者仪表出问题导致测量数据超过定值，进而引起直流闭锁、降功率等事故发生。如2007年6月23日南桥换流站极Ⅰ内冷水3B支流流量传感器出现故障，误报流量低导致极Ⅰ直流闭锁[13]；2005年10月15日鹅城换流站由于温度传感器故障引起测量误差，进而引起降功率运行[13]。解决措施主要从三个方面考虑：其一要从传感器逻辑控制系统出发，优化温度、水位、流量、压力保护等方面的逻辑控制。如流量传感器，取消水冷分支流量跳闸的功能，保留其报警功能。其二，考虑冗余方面，对可能导致闭锁的流量计、水位计、压力计等进行双重化改造。其三，定期对各传感器进行检查，确保各接线端子牢固、底座安装牢固、绝缘性能良好。控制保护故障主要是一些参考值选取欠佳，控制系统稳定性、抗干扰差造成的。如2009年8月15日，高岭换流站，由于厂家设置的微分泄露定值不当(太灵敏)，在膨胀水箱超过定值后，微分泄露保护误触发导致单元1闭锁[18]。解决措施可以从两方面考虑，其一，从各控制保护定值出发，依据各换流站的实际情况设置更为合理的保护定值。如高龄换流站微分泄露保护定值从连续三次10 s内膨胀水箱水位下降3 mm改为6 mm，单元1运行正常。其二，从控制保护软件系统考虑，优化逻辑控制。

◆ 机械水路故障

涉及到内冷水的机械水路故障有19次，占内冷水故障的54%，是内冷水系统出现故障最多的地方。主要故障类型为腐蚀、结垢、堵塞、漏水等，故障类型复杂多样，需要具体分析。

1) 内冷水系统的腐蚀问题。

内冷水系统腐蚀问题主要出现在两个地方，一个是散热器腐蚀，一个是均压电极密封圈腐蚀[21]。

散热器是内冷水系统的核心部件之一，将可控硅阀产生的热量通过内冷水源源不断地带出换流阀，保证换流阀安全稳定运行。散热器的主要材质是铝合金，运行中发现，运行一段时间后散热器内部会有一定程度的腐蚀，其腐蚀类型主要是点蚀。对散热器腐蚀目前有三种解释，其一是认为散热器腐蚀存在电解腐蚀，内冷水系统采用去离子水作为内冷水，电导率≤0.5 μS/cm，不同电位晶闸管散热器、水冷电阻、水冷电抗器之间充满了内冷水，这就导致不同电位的金属器件之间的水路中会产生电解电流，电解电流使得这些金属件产生有不同程度的电解腐蚀。其二，金属铝在酸性碱性条件下都会发生腐蚀。由于内冷水呈现微酸或微碱，且散热器的主要材质是铝合金，因此散热器会有一定程度的铝腐蚀。其三，内冷水系统水处理回路中的离子交换树脂粉末会运行过程中会有一部分泄露到水路中，泄露出的树脂粉末会吸附到散热器表面，这些树脂粉末和散热器表面的材质铝形成一个碱性小环境从而对散热器产生碱腐蚀。散热器的腐蚀目前还在处于研究阶段，还没有产生一个定论，树脂粉末泄露引起散热器腐蚀认同度较高。对应其腐蚀产生的原因可以有针对性的措施。针对电解腐蚀，目前常用的方法是安装均压电极，这个方法已经被广泛采用。针对铝腐蚀，可以从水处理方面着手，优化水处理回路，提高内冷水的水质。对应树脂粉末引起的碱腐蚀，可以从两个方面考虑：一方面可从旁路过滤器方面考虑，减小过滤器的孔径，尽可能多的过滤树脂粉末。另一方面可以从流速上考虑，降低水处理回路水流速度，可以在一定程度上减少树脂粉末的泄露。

图5 均压电极密封圈腐蚀对比图

在安装均压电极的过程中，为了避免漏水，会在均压电极上安装密封圈。运行中发现，运行一段时间后密封圈会有一定程度的腐蚀，在故障统计中显示涉及到内冷水系统的35次故障中有4次是密封圈腐蚀漏水(其腐蚀对比如图5)。密封圈腐蚀漏水的原因也可以从三个方面解释：其一臭氧腐蚀，均压电极会结垢，垢质具有绝缘性质并且均压电极结垢从尖端开始向根部发展，结垢后的均压电极尖端结垢较厚会呈现高阻性，而根部结垢较薄导电性较好从而使其电流密度较大，当电流密度达到一定程度就会电解产生臭氧，臭氧便将密封圈腐蚀。其二，安装均压电极的过程中，操作不当，过于拧紧导致其密封圈损坏。其三，设计不合理，未考虑实际情况。如天广直流换流站最初的均压电极安装没有考虑实际情况，安装结构无骨架，安装后的均压电极密封圈暴露在了因均压电极结垢而产生臭氧的环境中，导致其密封圈腐蚀进而引起密封圈漏水。针对密封圈腐蚀原因建议：(1)减少水垢产生；(2)密封圈改进，对密封圈的各项参数如硬度等相关实验验证，在安装过程中依据这些参数进行安装；(3)对均压电极进行改造，提高其自密性和预密性[19]。

2) 内冷水系统结垢问题。

内冷水系统结垢问题，最主要的是均压电极结垢问题。为了减少内冷水系统的电解腐蚀，现在换流站内冷水系统一般都在其阀段并联水路的进、出汇流管及其他相应位置安装了电极[20-24]。阀塔均压电极安装位置有3处：(1)阀组件汇流管内电极，安装在阀段两端对应的进、出水管内，如图6所示，E1、E2、E7、E8为阴极电极，E3、E4、E5、E6为阳极电极[25]；(2)安装在组件汇流管与S型主水管连接处；(3)S型主水管电极，安装在S型主水管的首端、尾端以及阀层之间。

图6 阀组件内均压电极的安装位置

均压电极的安装在一定程度上减少了散热器的电解腐蚀，但也产生一些其他问题，其主要问题便是结垢，如图7所示。均压电极结垢会产生一系列相关问题，如均压电极密封圈腐蚀、过滤器堵塞等。对结垢后的均压电极进行分析发现，顺流阀阴极侧结垢较为严重逆流阀阳极侧较为严重，垢质的主要成分为β三羟基铝石(96%～98%)，次要成分为α三水铝石(2%～3%)。目前均压电极结垢原因还处于研究阶段，还没有定论，主流观点认为是由于散热器腐蚀，腐蚀产物以[Al(OH)4]–形式存在，最终沉积到均压电极上。依据这一原因分析，可以对应提出改进措施。改进措施从均压电极的设计安装和运行维护方面考虑。在设计方面，张培东等[22]提出了一些改造方案，改造后的电极采用一体式金属结构，探针直径由1 mm增为2 mm，电极强度得到较大提高。此外，考虑到电极检查的方便，将水管上的电极孔直径由1 mm扩为4 mm，电极垫圈由探针末端移至水管外。在运行维护方面，从结垢方面考虑，提高水质状况，减少散热器的腐蚀，最终达到减少结垢的发生。

图7 均压电极结垢图

3) 内冷水系统堵塞问题。

内冷水系统堵塞问题主要是主过滤器堵塞。内冷水在阀塔上通过“毛细管”进入散热器内部，内冷水不断循环将换流阀热量带走。为防止杂物进入阀塔的“毛细管”导致水管堵塞和结垢，在内冷水系统主回路上安装主过滤器[26]。

对几个换流站的堵塞物进行分析发现其堵塞物种类较多，有垢样、碎布、碎石、毛发以及垫片等。因此，可以推测主过滤器堵塞的原因可以有如下几种：(1)碎布、碎石、毛发等可能是工程阶段遗留在主泵处的U形水管、主管盲管、膨胀水箱等内冷水管道“死区”中，最终被水流冲带到主过滤上进而引起其堵塞。(2)均压电极上脱落部分垢质，被内冷水冲带到主过滤器上进而引起堵塞。针对其原因分析可以从换流站建造和运行维护两方面考虑。换流站建造方面，首先考虑管道设计，尽量减少“死区”的存在，如减小盲管的长度，将其末端改为弧形并加装阀门。其次考虑主过滤的冗余，设计备用主过滤器，主过滤器堵塞后可以切换至备用过滤器，消除因过滤器堵塞而导致紧急停运事故发生。换流阀运行维护方面，考虑提高内冷水水质，减少均压电极结垢的发生。

◆ 水质故障

涉及到内冷水的水质故障出现过2次，其原因是电导率超过定值。为了实时监控内冷水水质，目前换流站用电导率作为衡量内冷水水质的指标，将内冷水水质指标定为≤0.5 μS/cm。其改进措施可以为增设其他内冷水水质指标如含氧量、pH等，通过各项指标协同衡量内冷水水质。

◆ 内冷水系统隐患

内冷水系统故障是阀冷却水系统故障的主要来源，对主要故障类型进行细致分析发现电源回路故障和控制系统故障主要原因是由于控制逻辑和冗余考虑不足导致的，因此要优化其控制逻辑，增加重要设备的冗余量。而机械水路故障的主要原因最终都可追溯到水质状况和冗余上，提高水质状况可以从根本上解决机械水路故障问题。

结束语

高压直流换流阀在我国具有良好的发展前途。换流阀系统中“属于辅助但实际中却处于绝对核心地位”的阀内冷水系统，由于重视程度不够，发生了多起由其故障引起的降功率、闭锁、紧急停运等事故，严重影响了换流站的安全稳定运行。对故障进行分析，主要原因有：(1)控制逻辑方面不完善，导致一些误触发发生；(2)某些重要的设备冗余不足，导致其出现故障后，换流站只能被迫停运；(3)水质状况有待提高。因此，应该从三个方面采取措施以保障换流站的稳定运行：(1)不断完善阀冷却水系统的控制逻辑和控制软件；(2)重要设备安装备用设备，提高运行稳定性；(3)提高循环水水质，减少腐蚀结垢的发生。

摄影 李景源