特高压直流阀冷系统隐患分析及防范措施

中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局 梁 律

引言

特高压转换器的开阀式水冷系统是直流输电系统的关键组成部分，其正常运行也涉及直流功率传输系统的安全平稳运行。在特殊的情况下，直流阀水冷控制系统的一些控制逻辑和保护功能可直接锁定在直流控制系统，如注意不当可能会造成直流传输功率的强制下降。

目前在特高压转换系统所运行阶段的事故和异常都与设计、建造过程有关，这些隐含的风险虽并不包括在相应的控制手段和措施，但随着换流站运用时长的增加，会逐渐呈现出困难且不完全的整流现象。结合我国大多数换流阀水冷系统的设计和施工阶段的问题点，通过对与深挖相同的隐蔽危险性进行详细分析，以确保现场工程的安全性、品质、进步为前提，制定了特定的对策，本文提出了今后设计优化的提案。

特高压直流输电系统由于其容量相对很大且距离较远及损耗少的优势，在国家供电系统中获得不错的发展，已广泛融入到各个领域并得到国际认可。而在世界电力网络稳定发展的推动下，也使得特高压直流电力输送工程技术对于推动全世界发电事业的健康发展起到不可取代的作用。而换流站也在直流电力输送工程技术当中占有着关键的地位，须加强重视，确保可有效对换流阀的应用进行调整，使其能更加有效的输出能量。而在受电端，换流阀或逆变器则可将直流电逆变成交换电，给后端供电带来较为充沛的电能。此外，在某些情形下其也能够透过变换控制方式让整流器逆变器与角色互换，为后期电力供应及输入提供更多帮助，最大化发挥换流阀应用的效果。

图1 某换流站阀水冷系统原理图

1 特高压阀水冷系统设计原理及配置方法

特高压换流阀在正常活动期间会产生很多热量。为确保在常温下运行、防止高温损伤，需要冷却系统。根据其功能，分为阀门内部冷却系统和阀门外部冷却系统。

阀门内部冷却系统通过主循环泵的工作使闭路内的内部冷却水循环，在流经转换器阀时取热，使转换器阀在通常的温度下工作。阀门内部冷却系统具有分流水处理电路，用于在特定时间内纯化所有内部冷却水，以保证一定范围内的导电率是可靠的；阀门的外部冷却系统是开放设计。冷却塔通过风机产生上方气流，喷雾泵从喷雾池取出喷雾水生成下方的水流，形成冷却塔内的对流，冷却塔内线圈内流动的内部冷水。喷涂水在减少了喷涂水的硬度后，要在喷涂水中去除反冲和微生物、然后进入喷涂池，必须采用一套水预处理系统。

特高压换流站有4个换流阀，每个换流阀都配备有独立的闭阀式阀水冷装置。每个阀门都包括一套完整的水冷却装置：一套阀门内部冷却系统、一套阀门外部冷却系统、一套内部冷却系统的电源和控制系统、一套外部冷却系统的电源和控制系统、工业水泵成套设备和所有设备的管道。

图2 换流阀冷却塔系统流程图

2 直流反措及精益化评价要求

我国南网直流换流站的单极、双极闭塞防止对策《防止外部阀冷却系统故障导致的锁定》、《用于实现和评估转换器阀水冷系统的所有工程技术管理的精益管理的详细规则》，从五个阶段提出了内部阀冷却系统和外部阀冷却系统的相关要求。制定采购、制造、基础设施建设、接收、运营、维护、特定的预防措施。其中，“防止阀水冷系统故障锁定”的企划、设计阶段关注主循环泵、传感器等重要硬件设备的构成原理。控制和保护系统以及所有类型的保护构成原理一样，资本建设和安装阶段集中在管道和主要泵及其电机的安装方法和安装要求上。

在“防止因关断阀冷却系统故障而锁定”的计划和设计阶段，在以冷却塔、风扇马达、喷雾泵的电源设计、逻辑控制、环境要求为焦点的资本构筑和设置阶段，应明确冷却塔热交换线圈的安装模式和工艺质量，并研究缓冲池和盐池的防污设计。由于新技术和产品的应用，在提高机器的可靠性的同时，会出现一些新的缺陷和隐藏的危险性。为了防止事故和事故的发生，现场具有很多的实践练习和跟踪练习，需要电网人员进一步地分析和发掘，来正确地推进预防对策。

3 特高压阀水冷系统隐患分析及防范措施

阀冷系统一般在硬件设备产生故障或受损时会产生一系列问题，其中更加需要注意的监测目标为阀组的跳闸，阀水冷控制系统具有实时监控各种操作参数的功能，当一些参数信息异常时，控制保护系统会自动引发跳闸操作以确保硬件设备的安全性，瞬间的异常则不会引起以上情况。在保护配置中，时间将被视为控制因素，而只会在其持续时间达到特定长度后才会引发。

目前，大部分换流站的阀冷系统的重要传感器具有三种冗余配置，并且可编程控制器接收传感器信号，可编程控制器通过程序设置处理接收信号。另一方面用于控制阀冷系统，例如将入口阀温度达到设定值，启动喷雾水泵，若将缓冲池液面监视到设定值，则需停止工业化补水泵。另一方面，膨胀罐的液面液位没有达到安全阈值导致出口阀群引发跳闸，如果发现入口阀温度成为最大值、出口闭塞等现象，需要直接启动阀冷却系统保护，闭锁直流系统。

3.1 系统水冷主回路隐患分析及防范措施

阀水冷却系统主水电回路中，最常见的问题就是里面冷却水的泄露或渗漏，引起了漏水保护功能。压力感应器前端的换流阀那样的阀门，因为长期的运行而产生松动，里面的冷却水就稍微泄漏了。但是假如他们继续缓慢运动，就会引起里面冷却水的快速渗漏。此外，内部温度在冬天会出现较大变动，由于热膨胀和冷却收缩内部冷却水位也会变化。在运行监控中早晚都应定时记录内部冷却水位，当发现异常情况时应立即检查。同时也须检测内部有关阀门，并在年维护期内拧紧[1]。换流站阀水冷系统主要使用频率转换器来控制泵和冷却塔风扇的速度。根据设备的运转状况和经验，频率转换器大多由于高温和内部的尘埃而异常工作，主泵和冷却塔风扇发生异常运转，直接流系统被切断。

整改措施∶取消内冷水温度、电导率、膨胀水箱水位冗余传感器超差跳闸出口逻辑，仅保留告警信号回路。需要维持内部冷却水室的低温和清净性，定期检查频率变换器的温度，置换频率变换器的滤波面。

3.2 交流电源电压监视继电器隐患分析及防范措施

主要泵、喷雾泵、冷却塔风机和阀冷却系统等设备由两个冗余电源供给。当监视电路检测到主电源故障时，为了确保阀水冷系统的顺畅动作，切换到待机电源。阀冷却方式的交流电源电压监视继电器是将该交流电源用于电源的，因此在发生交流电源重大故障时继电器的监视功能可能发生故障，结果会导致电源开关的切换和阀门组的切换失败。整改措施：将交流电源电压监视继电器替换为通过直流电源独立供电的电压监视继电器。电压监视继电器的通常动作不受交流电源故障的情况影响，确保监视开关电路的稳定动作。

3.3 传感器及控制保护系统隐患分析及防范措施

通常换流站的阀水冷系统的传感器是双重结构。测量一个传感器时的误差不通过水冷系统的保护口，但需防止主泵前后内部冷却水的温度、流量和水压的测量误差等传感器的测量误差。影响水冷却控制功能。阀水冷控制、保护系统的电子设备需要环境温度和清洗，确保控制、保护装置的运行环境。阀水冷控制和保护系统有两套，在两个系统的控制和保护系统之间进行通信。如果两个系统之间的通信设计不合理，则两个系统在通信故障之后可终止操作状态。阀水冷系统的控制、保护和监视功能有多个，由监视系统设计的事件记录完整，序列应该正确。如果装置的事件记录的顺序有误或者省略了相关事件记录，水冷系统的监控、分析和判断会受到影响。

整改措施：需要余化改造传感器件，加强传感器回路抗干扰性能，尤其是阀厅里的传感器，如膨胀水箱液位、冷却塔的压力等，加强传感器使其本体接地，要保证接地线可接地，并将抗干扰磁环增加到传感器回路中，着力减少测量数据误差，以确保测量数据正确性[2]。

3.4 阀外冷系统水池水位传感器

外部冷却池的水位传感器是单一结构，当水池的水位低于80%时系统开始启动工业化补水泵，以补充因冷却而消耗的外部冷却水。当测定值等异常达到90%以上时外部冷水等级控制功能失效，补水泵则不开始补给水。当外部冷却水池内的水被耗尽时，喷雾泵在空转情况时变得容易烧坏，对内部冷却水的冷却效果产生严重影响，内部冷却水的温度如果超过上限，阀组就会发生跳闸。

整改措施：将外部冷却池的水位传感器做到冗余转换，可将单个电阻水位传感器改变为与浮动球水位传感器并行逻辑连接，以避免由于单个传感器的故障而引起的测量异常，并提高池的水位测量的可靠性。在转换完成之前可每天检查外部冷却水箱的实际水位，通过监测工作站可观察和分析外部冷却水位数据，并可由此得知一定程度的传感器异常状态。

3.5 阀水冷系统地下穿线管隐患分析及防范措施

特高压换流站的水冷阀采用了沉没的喷雾池和沉没的喷雾泵坑（位于4m的地下）的设计。许多内部的电线和控制线必须从地下螺纹管引导到地面相关的力量或控制面板和柜。由于水位低，无法采取防水措施时，可拧入管道进行多个泵连接。断线管的电源电缆和控制电缆可浸水，以引起绝对降低、功率损失、信号或控制电源的供应、设备的操作的紊乱和阀门组的强制关机。

整改措施：在低地形的滑动管中，使用积分不锈钢管减少焊接。整个管道的弯曲被用于车削。如果需要焊接，则完全焊接，不允许点焊连接。进水管的腐蚀（腐蚀坑或腐蚀穿孔）位于管内壁上侧，在不同的孔径下会产生不同的渗流，位于焊接处采取防水和防蚀措施。

3.6 阀水冷泵坑设备室地面隐患分析及整改措施

阀水冷泵口具备喷雾泵、自循环泵和其他重要电气设备。水泵坑距离地面4米，由于没有空调和其他湿气驱动装置，长时间呆在阴暗潮湿的地方，由于湿度的原因地面会形成积水，对电器的正常运转造成不利的影响，如喷淋水、自循环等电器设备的绝缘性能下降，从而影响其使用寿命，严重的话会造成设备故障，且长时间的积水会对正常的检查、操作和维修工作造成不利。

整改措施：设备设置后，地面平整，为了防止积水倾斜。为了达到除湿的目的，可在泵口设置湿式驱动装置或空调机[3]。

综上，换流站的阀水冷系统可保证控制转换器阀的温度在正常范围内，是换流站最重要的辅助系统。目前，我国南部的一些输电换流站因阀水冷系统常常因发生故障而关闭。阀水冷系统结构复杂，包括各种泵坑、管道、阀门、风扇和传感器。通过对阀水冷系统故障及隐患进行全面分析，从设计、安装、操作、运维等多角度进行优化处理，进而让换流站的阀水冷系统运行稳定性得以提升。