换流阀水冷系统故障统计及原因分析

高源，任丽佳

（1.国网陕西省电力有限公司营销服务中心（计量中心），陕西 西安 710000；2.国网山西省电力公司超高压变电公司，山西 太原 030000）

近年来，国内外电力行业得到了飞速发展，尤其在电力传输技术领域，已经获得了诸多新的成果，越来越多的技术方法为提升电力传输能力提供了帮助，高压直流输电工程的持续开展，使得国家电力传输优化方面得到了更多保障[1-2]。而不同区域经济水平高低不同，导致电力需求水平亦存在差异，跨区联网是解决该问题的重要措施之一，实现不同地区电力容量的平衡分布，有利于缓解用电紧张的问题。

高压直流输电系统中的换流阀作为直交流高电压转化的重要装置，在运行过程中容易出现故障，容易造成换流系统停运，从而造成无法估量的经济和社会损失[3-4]。换流阀在高压直流电系统中发挥着重要作用，换流阀的安全运行，是高压直流输电稳定运行的重要保障之一。换流站的阀冷系统是换流阀系统的组成部分，是为晶阀冷系统降温而设计的一套循环冷却水系统。相关资料显示[5-6]，既往已经有较多有关换流站阀冷系统运行故障的研究报道，但多数研究仍存在一定局限性，仅侧重于换流站或某几个换流站，其研究结论并不适用于全国大范围的换流站。

因此，本文将结合相关文献资料，对阀冷系统故障的发生原因进行系统性分析，以期为发冷系统故障提供有价值的预防和解决依据，对于换流站综合考虑发冷系统的运行状况提供相应的参考。

1 阀冷系统运行故障原因分析

1.1 设备故障

1.1.1 主循环泵故障

主循环泵是冷凝水系统中保证冷凝水压力不变、流速不变的重要操作设备。循环阀水冷却系统的主泵轴封结构复杂，需要有较高的制造与安装精度，如果使用不当，将会造成严重的磨损与寿命缩短。主泵出现的故障有3 种，即振动异常、轴封破损、输油量小。引起振动的因素有不平衡、基座松动、轴偏移、润滑油振动、主轴弯曲及轴的摩擦力等。

1.1.2 变频器故障

变频调速器在速度要求较高的场合，输出的电压和频率各不相同。变频调速装置的起动方式受施加电压影响较大，不适用于频率、负载不变的场合。采用变频调速技术实现了变频调速，如果发生故障，则主循环泵将停止运转。

1.1.3 传感器故障

阀冷系统中的传感器主要采集流量、水位、温度、压力等运行参数。若感应器不精确或受损、接线端松开、基座未紧固或者有严重的环境电磁干扰，那么实际测量值与监测值之间就会出现较大的误差，从而导致出现错误的报警和错误的保护动作。当传感器出现故障时，将会引起流量、水位、温度、压力等测量值异常，超出阀门的冷态设定值，将引起阀门组跳闸，影响直流输电。

1.2 水路问题

在水力循环系统中，经常会出现管路堵塞、漏气、和水位变幅等现象，对水力调节阀冷却系统造成较大的影响。换流阀冷却系统易发生腐蚀结垢，严重影响换流阀的安全运行。通过对转炉站实际运行情况的分析，发现在等压极、换热器、过滤器、水管路及硅片散热器上都有可能出现结垢现象。内冷却水系统中的结垢样品脱落会引起水系统堵塞、水流动不顺畅及内冷水的效能下降，会引起电器部件烧损，甚至引发火灾。

1.3 监控系统故障

阀水冷却监控系统不仅能监控内外冷系统，还能实现与各极点控制系统之间的信息交互。其中，阀式水冷监测系统主要采用可编程序控制器（天广和高桥为SⅠMATⅠCS5 型系统，兴安和云广为SⅠMATⅠCS7 型系统）。在主系统发生故障的情况下，该系统能自动、迅速、平稳地切换到备用系统，且可实现自动起动。为了确保阀门冷却系统的正常运转，要根据相关装置的具体运行情况，来设定监测系统的参数。

1.4 自然因素

外界温度的改变也会引起停电。在冬季，由于直流系统长时间停用，水冷却水温度较低，内冷却水系统采用旁路回路运行，造成了室外冷却塔管路温度偏低。在外界温度升高时，或者在刚刚解除锁定时，冷却水的温度升高，经冷却塔由旁路回路转为循环式运行时，内、外水温骤变，水位骤降，造成漏电保护动作，引起单极闭锁。

2 换流站阀冷系统故障统计与分析

对1990—2018 年间国内发表的200 余篇国内换流站故障的文献进行了检索，发现66 例由于气门冷却系统造成的换流站设备失效。依据失效的成因及失效的时刻，将失效的情况进行归类、总结，如图1 所示。根据3 个阶段的数据对中国某变频器换流站阀冷系统的失效情况进行了分析。1990—2000 年换流站阀冷系统故障原因统计如图2 所示。

图1 换流站阀冷系统故障年份统计图

图2 1990—2000 年换流站阀冷系统故障原因统计图

由图1、图2 可知，2000 年前阀冷系统故障较少。其中，水路缺陷导致的故障较多，主要表现为腐蚀、结垢、堵塞等现象。另外，由于2001—2010 年换流站数量少，换流阀设计不完善，仍然存在很多问题，如图3 所示。

图3 2001—2010 年阀冷系统故障原因统计图

由图1 和图3 可知，2001—2010 年间，新换流阀阀芯数量逐年增加，在变电站运行过程中，变电站的各种故障也不断出现，逐渐暴露出许多问题。而在这些问题中，水力问题和设备问题所占的比例很大，仍是导致换流阀门失效的主要因素。

2011—2018 年以来，由于时间较短，中国转炉阀体冷却系统的事故较少，说明由于对转炉阀体故障的重视和各种处理方法的使用，事故率已明显降低。较大的停电事故发生在兴仁、龙泉、兴东、德阳、忠州和金华换流站。其中，系统设备故障、水路缺陷和供电问题是最常见的故障类型。由此可见，设备维护、水路系统缺陷和电力系统稳定仍是需要解决的重要问题。

3 事故预想及解决方式的研究

以山西雁门关换流站（2017 年6 月投运）极-高端阀冷系统（如图4 所示）为基础，建立事故预想模型，给出事故解决方案。

图4 ±800 kV 特高压雁门关换流站极-高端阀冷系统

3.1 阀冷系统异常及故障

现象描述：内水冷流量低报警，内水冷流量低时内水冷主循环泵切换。

处理步骤：①检查管道流量和进阀压力有无异常并横向比对，若判断为表计故障，在内水冷控制面板上将故障表计退出，通知相关检修维护人员处理；②检查主循环泵运行情况，泵转动中有无刺耳的杂音（防止泵中有空气限制流速），检查备用泵有无空转现象，发现异常切换主循环泵，通知相关检修维护人员处理；③检查阀门位置是否正常，若阀门位置异常，通知相关检修维护人员处理；④检查水冷管道有无渗漏，若发现渗漏点及时进行处理。

3.2 内水冷温度高报警

现象描述：阀水冷温度高报警。

处理步骤：①检查空冷系统风机运转是否正常及冷却塔风扇运行是否正常，若发现异常状况，运用冗余冷却能力，并退出故障设备，检修维护人员参与处理；②检查喷淋泵运行是否正常，若发现异常状况，切至备用喷淋泵运行；③检查冷却塔风扇运行是否正常，若发现异常状况，运用冗余冷却能力，退出故障设备，通知相关检修维护人员处理；④通过软件对2 套保护系统进行检查，观察换流阀进出水温度与冷却塔出水温度的情况，如温度存在较明显差异，此时应密切监视，并需要专业的检修维护人员进行处理；⑤在测量值接近时，需要对温度进行密切监视，同时应结合现场的实际情况，采取针对性的辅助降温措施；⑥如观察到温度持续上升，则需要申请调度降低直流负荷。

3.3 内水冷泄漏

现象描述：内水冷泄漏报警或膨胀罐水位低报警；巡视或监视过程中，发现内水冷有泄漏或水位异常降低的情况。

处理步骤：①检查内水冷膨胀罐水位是否正常，若水位正常且保持不变，通知相关检修维护人员处理；②若水位持续迅速下降，立即申请调度停运相应阀组，通知相关检修维护人员处理；③若水位缓慢下降，达到补水液位，检查补水泵是否启动，若未启动，手动启动补水泵，保持水位在正常范围，查找内水冷回路漏点；④检查阀厅地面是否有水迹，若发现阀塔漏水，请调度停运相应阀组；⑤若主循环泵漏水，立即切换至备用泵运行，断开故障泵的电源开关和安全开关，关闭故障泵的进出水阀门，通知相关检修维护人员处理；⑥若发现内水冷管道有漏点且能有效封堵，应进行封堵，无法封堵但能够隔离的进行隔离，无法封堵且无法隔离的，申请调度停运相应阀组；⑦以上部位均未发现漏水且冷却塔有冗余，轮流关闭一组冷却塔内水冷进出水阀门，检查膨胀罐水位是否下降，排查冷却塔内部是否漏水；⑧若检查发现冷却塔内部内水冷管道漏水，且冷却塔有备用冗余时，将该组冷却塔隔离，通知相关检修维护人员处理。

3.4 内水冷电导率高

现象描述：内水冷电导率高报警信号。

处理步骤：①现场检查内水冷电导率表计的指示是否正常、2 块表计读数是否一致；②若2 块表计读数偏差较大，则可能为表计故障，通知相关检修维护人员处理；③检查水质，如果刚做过补水工作，检查所使用补充水的电导率；④检查电导率测量装置的报警值整定，若电导率确实偏高，则通知相关检修维护人员处理。

3.5 阀漏水检测器报警

现象描述：阀漏水监测报警信号。

处理步骤：①采用摄像头并派人对阀厅地面及阀塔进行细致检查，确定是否已经有水，查看膨胀罐水位情况，是否已经出现下降；②如果阀漏水检测器信号能够复归，检查未发现水迹且水位未发现下降，则加强对该极内水冷系统运行情况的监测，必要时申请调度停运相应阀组；③在阀漏水检测器信号不能实现复归时，未找到水迹，同时亦未见水位发生下降，此时需加强监测，通知相关检修维护人员处理，必要时经公司分管领导批准申请调度停运相应阀组；④若漏水检测器信号不能复归，检查发现水迹或发现水位下降，则立即申请调度停运相应阀组。

3.6 内水冷传感器报警

现象描述：内水冷传感器故障相应报警信号。

处理步骤：①在水冷控制面板上检查各传感器示数是否相近，若差异较大，加强监测，通知相关检修维护人员处理；②若发现报警传感器测量值异常，在水冷控制面板上将故障传感器隔离，通知相关检修维护人员处理；③若检查未发现异常，通知相关检修维护人员检查回路。

3.7 内水冷主循环泵故障

现象描述：阀内水冷系统主泵出现故障，备用泵投入运行正常。

处理步骤：①检查主泵电机，若主泵电机有严重发热、冒烟现象，立即在VCCP 室主泵动力柜内进行断电，断开内冷水室主泵电机安全开关，做好安全措施并通知相关检修维护人员处理；②若主泵电机外观检查正常，对主泵电机电源开关和安全开关进行检查，若无异常，断开电源开关柜电源开关，做好安全措施并通知相关检修维护人员处理；③若开关跳开则将跳开开关试合一次，若试合成功，加强监测，试合不成功，通知相关检修维护人员处理；④一台泵运行的情况下，要加强监测直流系统的运行情况，严防丢失该泵电源（此时一般不进行站用电系统切换操作），如短时间内无法恢复故障泵，应将相关情况向调度报备。

自2011 年以来，国内的换流阀阀冷系统并未出现较多故障，随着人们对其重视程度的提高及各种故障相关解决方案的应用，换流阀故障的发生概率已经处于较低水平。在这段时间内，水路系统设备故障、水路缺陷及供电隐患是换流站主要的故障类型，仍然有必要对设备进行积极维护，完善水路系统，同时尽可能地维持电网稳定是目前相关领域工作中的重要目标。

4 结束语

换流站阀冷系统的安全性、可靠性与换流站的安全运行密切相关，加强对阀冷却系统的监测与保护是保证换流站阀冷系统安全可靠的关键；换流站的气门冷却系统有许多弱点，对其故障的成因进行了详细的剖析，造成阀门冷却系统故障的主要原因是水槽缺陷和设备故障；以2017 年投产的雁门关换流站阀冷接线为基础，建立事故预想，给出解决方案，保障换流站阀冷系统的安全。