换流站直流设备故障诊断与维护技术研究

郑景元 唐楠 郭家圳

上海市电力公司超高压分公司 上海 200063

引言

换流站直流设备是输电系统中重要的组成部分，其正常运行对于电力系统的稳定性和可靠性具有重要意义。然而，由于长期运行和环境因素的影响，换流站直流设备可能会出现故障，给电力系统带来潜在的风险。为了及时发现和修复直流设备故障，科学的故障诊断与维护技术是必不可少的。本研究旨在探索适用于换流站直流设备故障诊断与维护的先进技术和方法。本研究提出的换流站直流设备故障诊断与维护技术，具有重要的实际应用价值。它可以提高直流设备的可靠性和运行效率，降低故障发生的风险，为电力系统的安全稳定运行提供有力支持。

1 直流设备的基本原理和结构

直流设备是用来实现直流输电和转换的设备，它基于直流电的特性进行设计和构造。以下是直流设备的基本原理和结构。

基本原理：直流设备利用直流电的单向性质，将电力从一个点输送到另一个点。直流电的电压恒定，电流方向恒定，因此直流设备具有稳定性强、能量损耗小等优点[1]。

结构和组成：直流设备的基本结构包括直流输送系统和直流转换系统两部分。

直流输送系统：直流输送系统由直流电源、直流导线和直流负载组成。直流电源通常采用直流发电机或直流变流器产生，可提供稳定的直流电压。直流导线用于将电力输送到负载，通常采用直流高压输电线路，如换流站的直流极线。直流负载指的是直流电能的使用终端，例如工业设备、电动机等。

直流转换系统：直流转换系统用于实现不同电压等级之间的直流电能转化。主要包括直流-直流变换器和直流-交流变流器。直流-直流变换器通常用于将高压直流转换为低压直流，或者将直流电能传送到远距离。直流-交流变流器用于将直流电能转换为交流电能，实现与交流输电系统的互联互通。

此外，直流设备还包括辅助设备，如控制系统、保护系统和监测系统等，以确保直流设备的安全运行和可靠性。总之，直流设备是一种基于直流电特性的电力传输和转换设备，通过直流输送系统和直流转换系统来实现直流电能的输送和转化。

2 换流站直流设备常见故障类型

2.1 电气故障

换流站直流设备可能遇到一些常见的电气故障。以下是一些可能出现的电气故障。

短路故障：短路是指电流在一个相对低电阻路径上绕过预期的电路路径流动。这可能由设备内部的绝缘破损、接触不良或绝缘子击穿等原因引起。短路故障会导致设备过载、跳闸以及电力系统的异常运行。

过电压故障：过电压是指系统中出现超过正常运行电压的情况。这可能由雷击、绕组故障、变压器失效或操作错误等原因引起。过电压故障会对设备的绝缘性能造成损害，影响设备的正常运行，并可能导致设备的损坏或烧毁。

欠电压故障：欠电压是指系统中电压低于正常运行范围的情况。这可能由输电线路故障、电源故障或负载过重等原因引起。欠电压故障会导致设备无法正常工作，影响设备的性能和工作稳定性。

接地故障：接地故障是指电流通过非预期的路径流向地面，可能导致设备和系统的电势不平衡。这可能由设备绝缘损坏、接地线路断开或接地电阻过高等原因引起。接地故障会对设备安全性造成威胁，可能导致人身伤害和设备损坏。

过载故障：过载是指设备或电路承载的电流超出了设计额定值。这可能由负载过重、短暂的功率突增或电源不稳定等原因引起。过载故障会导致设备过热、继电器动作、保险丝熔断等问题，影响设备的可靠性和寿命[2]。

2.2 机械故障

换流站作为直流输电系统中的关键设备，可能会遇到一些常见的机械故障。以下是一些常见的机械故障。

变压器故障：变压器是换流站的重要组成部分，常见的故障包括绝缘老化、内部短路、开路等，这些故障可能导致电压异常、电流异常以及设备过热等问题。

开关机构故障：换流站涉及大量的开关设备，如断路器和接地开关等。常见故障包括接触不良、触点磨损、机构卡死等，这些问题可能导致设备无法正常开关，影响正常的电力传输。

绝缘子故障：换流站设备中的绝缘子用于支持高压导线，并保持导线与支架之间的绝缘。常见的故障包括绝缘子破损、绝缘子污秽等，这些问题可能导致漏电、击穿等安全隐患。

电机故障：换流站中的电机用于驱动各种机械设备，如开关机械、调节机构等。常见故障包括电机轴承磨损、电机绝缘老化等，这些问题可能导致设备运行不稳定或停止工作。

冷却系统故障：换流站中的冷却系统负责散热，保持设备的温度在安全范围内。常见故障包括冷却水泵故障、散热器堵塞等，这些问题可能导致设备过热，降低设备的可靠性和寿命。

2.3 控制系统故障

换流站直流设备的控制系统是确保设备稳定运行和实现电力传输调控的关键部分。以下是一些常见的控制系统故障。

控制逻辑故障：控制系统中的逻辑电路可能存在故障，导致逻辑判断出错或无法正常执行指令。这可能会导致设备启停异常、控制信号错误等问题。

通信故障：换流站控制系统通常与其他设备或系统进行数据交互，如监控系统、继电保护系统等。通信故障可能导致数据传输失败、监控信息不准确等问题，影响设备的运行和安全。

传感器故障：控制系统中的各种传感器用于采集设备运行状态和环境参数等信息。传感器故障可能导致数据采集异常、误差较大等问题，影响控制系统的准确性和可靠性。

功率放大器故障：换流站直流设备的控制系统通常需要使用功率放大器来驱动各种执行器和开关设备。功率放大器故障可能导致控制信号失效或输出不稳定，影响设备的正常操作。

控制电源故障：控制系统需要稳定可靠的电源供应，以保证其正常运行。电源故障包括电源输入不稳定、电源模块故障等，可能导致控制系统崩溃或无法正常工作。

3 换流站直流设备维护技术

3.1 定期巡检与预防性维护

换流站直流设备作为电力传输系统的重要组成部分，需要进行定期巡检和预防性维护，以确保其稳定运行和延长使用寿命。下面是换流站直流设备维护技术的一些常见措施。

定期巡检：定期对换流站直流设备进行全面巡检，包括外观、连接线路、接地装置等方面的检查。检查是否存在松动、腐蚀、破损等问题，及时纠正。

清洁维护：定期清理换流站设备外部的灰尘和污物，确保设备散热效果良好。对于设备内部，应按照设备要求进行清洁，避免积尘、湿气等对设备产生不利影响。

润滑维护：对于涉及机械部件的换流站直流设备，需要定期检查润滑油的情况，并及时添加或更换润滑油。确保机械部件顺畅运转，减少磨损和摩擦。

绝缘检测：使用专业的绝缘电阻检测仪器，对换流站设备的绝缘状况进行定期检测。及时发现绝缘问题，采取合适的措施进行处理，防止因绝缘损坏引起的故障。

零部件检修：定期对换流站直流设备的关键零部件进行检修和更换。例如，检查开关、断路器、电容器、电阻器等设备的使用情况，及时更换老化或故障的零部件[3]。

3.2 故障排除与修复

换流站直流设备的维护技术故障排除与修复涉及多个方面的工作，包括以下几个步骤。

故障诊断与定位：当出现设备故障时，首先需要进行故障诊断和定位，确定具体故障点。可以通过观察设备运行状态、检查相关传感器和仪表的读数、分析相关记录数据等方式进行故障排查。

故障分析与判断：在确定故障点后，需要进行故障分析，并根据经验和专业知识判断故障原因。可以参考设备的技术文档、操作手册等资料，或者进行实验室测试，以识别故障原因。

故障修复方法选择：根据对故障的分析和判断，选择合适的修复方法。修复方法可以包括更换故障部件、修复电路连接、调整控制参数等。

修复操作：根据选择的修复方法，进行相应的操作，例如更换故障部件、进行电气接线修复、重新设置控制参数等。

故障验证和测试：在进行修复后，需要进行故障验证和测试，确认故障是否被完全修复。可以对设备进行功能测试、性能测试等，以确保修复后设备正常运行。

记录和总结：完成故障修复后，需要对整个过程进行记录和总结。记录修复的细节和操作步骤，以备将来参考。同时也要总结故障发生的原因和解决办法，以提高维护效率和减少故障发生的可能性。

需要注意的是，在进行换流站直流设备的维护技术故障排除与修复时，应遵守相关安全规范和操作规程，确保工作的安全可靠。同时，如果遇到无法解决的故障或者需要专业知识的支持，可以寻求厂家或相关专业人员的帮助[4]。

3.3 设备状态监测与评估

换流站直流设备维护技术中，设备状态监测与评估是非常关键的环节。通过对设备状态的监测和评估，可以及时发现设备问题，并采取相应的维修和保养措施，以确保设备运行的可靠性和安全性。设备状态监测与评估的具体方法和技术包括如下内容。

红外热成像：使用红外热像仪对设备表面进行扫描，检测设备是否存在异常的热点，以发现潜在的故障或疑似故障点。该技术非接触式、高效且准确，可以有效地预测设备故障。

振动分析：通过振动传感器对设备的振动信号进行监测和分析，以判断设备是否存在异常振动。异常振动可能是由于磨损、不平衡、松动等问题引起的，及时发现并处理这些问题可以避免进一步的损坏。

温度监测：通过安装温度传感器对设备关键部位的温度进行监测。异常的温升可能代表设备存在故障或过载等问题，及时采取措施进行修复，以防止设备进一步损坏。

压力监测：对液压系统、冷却系统等进行压力监测，确保系统的正常运行和稳定性。异常的压力变化可能是由于泄漏、阻塞等问题引起的，需要及时检修和维护以恢复正常工作状态。

电气参数监测：通过对设备的电压、电流、功率因素等电气参数进行监测，可以判断设备的运行状态和负荷情况。异常的电气参数可能代表设备存在故障或不正常的工况，需要及时检修和处理。

化学分析：对设备内部液体或气体中的化学成分进行分析，以判断设备的健康状况和潜在问题。化学分析可以帮助预测设备的寿命周期以及可能出现的故障类型，为维护计划提供依据[5]。

4 结束语

通过对直流设备故障诊断与维护技术的研究，可以有效地提高换流站的可靠性和稳定性，确保电网的安全运行。首先，必须深入了解直流设备的工作原理和结构特点，掌握其故障模式和故障诊断方法。其次，还要加强设备的巡检和维护工作，定期检查设备的状态，进行预防性的维修和更换，防止故障的发生和扩大。换流站直流设备故障诊断与维护技术的研究对于提高电网的可靠性和稳定性具有重要意义。需要不断深入研究和探索，不断完善技术手段和方法，以满足电力系统不断发展的需求，保障电力供应的可靠性和安全性。