一起換流站閥水冷系統故障問題分析及處理

劉 孝，錢逸磊，閆全全

（國網上海市電力公司檢修公司，上海 200063）

高壓直流輸電（HVDC）技術因具有傳輸容量大、傳輸距離遠、可跨區域輸送電能等優勢，成為輸送電能的重要手段［1］。換流站作為直流輸電工程的一個樞紐點，其安全穩定運行保證了整條線路的正常運作和電網供電的穩定性與可靠性［2］。閥水冷系統是換流站的重要組成部分。由于運行時間久、電氣設備老化問題，閥水冷系統的運行可靠性會大大降低。通過對本次換流站閥水冷系統故障問題的分析，了解閥水冷控保的運行邏輯，可為以后直流控制保護問題的現場檢修提供一些思路和方法。

1 閥水冷系統及閥水冷控制保護系統

1.1 閥水冷系統簡介

1.1.1 內水冷和外水冷系統

閥水冷系統包括兩部分：內水冷系統和外水冷系統。內水冷系統是一個封閉的循環回路，低溫的冷卻介質經由主泵加壓后進入循環管道，經閥塔水管流入散熱器中對閥體各元件進行降溫，將元件產生的多余熱量帶走；外水冷系統是一個開放式的系統，其主要功能就是對內水冷系統中的冷卻介質進行降溫，使其溫度降低到一定范圍內再進入閥體內循環降溫［3］。閥水冷系統的結構示意如圖1 所示。

圖1 閥水冷系統結構示意

1.1.2 閥水冷系統的主要設備

內水冷系統中的主要設備如下。

（1）主循環泵：為內冷水系統的循環提供動力，一般配備兩臺，一臺運行，一臺備用。

（2）加壓泵：更換離子樹脂或者系統發生泄漏，對系統進行補水時，需要用加壓泵將水打入。

（3）除鹽罐：內冷水從閥體出來有一小部分進入除鹽罐（10%～15%）進行去離子操作，這是為了達到使循環系統中的冷卻水具有高電阻率的目的。

（4）補水罐：當膨脹罐中水位過低時，需要啟動補水回路對閥水冷系統進行補水。

（5）內冷水儲存箱：儲存內冷水。

外水冷系統中的主要設備如下。

（1）冷卻塔：對內冷水中的散熱管進行冷卻。

（2）噴淋泵：為外冷水的循環提供動力，外冷水中的水被噴淋泵抽到冷卻塔中對內冷水進行冷卻，再回流到外冷水池中，一般冷卻塔配兩臺噴淋泵，一臺運行，一臺備用。

其他設備：系統中還有大量的測量傳感設備，如主泵進水和出水壓力傳感器、出閥和進閥溫度傳感器、內冷水電導率傳感器、水流量計等，用來對系統進行實時監測。

1.2 閥水冷控制保護系統（CCP）

閥水冷控制保護系統是由CCP A、CCP B 兩套冗余系統組成，每套控制保護系統又為雙套配置CCP1 和CCP2，其中CCP1 為主保護，CCP2 為后備保護。極控系統（PCP）實時監測兩個CCP系統的狀態，如果監測到兩個水冷控制保護系統都不在運行狀態則進行閉鎖直流操作［4］。閥水冷控制保護系統結構示意如圖2 所示。

圖2 閥水冷控制保護系統結構示意

閥水冷控制保護系統的主要功能是：進出水溫保護、主流量保護、分支水流量保護、泄漏保護，主要對主水流量、進出水溫度、分支流量、膨脹箱水位、主泵進出水壓力、電導率等信號進行實時監測；同時也實現對主泵、冷卻塔風扇、噴淋泵、補給水箱電磁閥等設備的控制［5］。閥水冷控制保護系統主要保護功能示意如圖3 所示。

圖3 閥水冷控制保護系統主要保護功能示意

2 故障分析

2.1 故障概況

2.1.1 故障等級與動作策略

直流控制與保護系統設置有三種故障等級報警：輕微、嚴重、緊急。

（1）輕微故障（一級）：設備外圍部件有輕微異常，對正常執行控制功能無任何影響，但需要加強檢測并及時處理。

（2）嚴重故障（二級）：設備本身有較大缺陷，但仍能繼續執行相關控制功能，需要盡快處理。

（3）緊急故障（三級）：設備關鍵部件發生重大問題，已不能繼續承擔相關控制功能，需立即退出運行進行處理。

《國家電網公司防止直流換流站單、雙極強迫停運二十一項反事故措施》規定了關于直流控制系統故障后動作策略的相關要求。

（1）若運行系統發生輕微故障，而另一系統處于備用狀態且無任何故障時，則系統切換，切換后，輕微故障系統將處于備用狀態，當新的運行系統發生更為嚴重的故障時，還可以切換回此時處于備用狀態的系統；若運行系統發生輕微故障，備用系統也發生輕微故障時，系統不切換。

（2）若運行系統發生嚴重故障，而另一個系統處于備用狀態時，則系統切換，切換后嚴重故障系統不進去備用狀態；若運行系統發生嚴重故障，而另一系統不可用時，嚴重故障系統可繼續運行。

（3）若運行系統發生緊急故障，而另一系統處于備用狀態時，則系統切換，切換后緊急故障系統不進入備用狀態；若運行系統發生嚴重故障，而另一系統不可用時，閉鎖直流。

2.1.2 事故列表說明

某日，某換流站極一水冷系統發出ESOF 信號，控制保護執行緊急停運，跳開換流變進線開關，因極一未送功率，未發生功率損失。根據當時后臺事件報文，從02∶10∶40∶882 至02∶13∶39∶422約3 min 的時間內水冷系統多次上報“主泵壓差故障”，每次故障產生后會導致主泵切換。

2.2 問題分析

2.2.1 “主泵壓差故障”判別

直流CCP 邏輯中關于“主泵壓差故障”的邏輯處理方式為：當CCP 采集的主水管道進水側壓力和主水管道出水側壓力均在正常范圍內（即主水管道進水側壓力在0～0.95 MPa、主水管道出水側壓力在0～1.50 MPa）時，若“主水管道進水側壓力-主水管道出水側壓力”＜0.2 MPa，則產生“主泵壓差故障”報警，并進行主泵切換，若切換主泵后故障仍然存在，則繼續進行主泵切換操作，直至故障消失［6］。從事故報文可以看到，該換流站極-水冷系統出現“主泵壓差故障”時的切泵過程和上述邏輯關系一致。

2.2.2 “主循環水流量低”判別

直流CCP 邏輯中關于“主循環水流量低”的邏輯處理方式為：當主循環水流量低于0.8 倍額定流量時判別為流量偏低，延遲1 s 報“主循環水流量低 報警”；當主循環水流量低于0.6 倍額定流量時判別為流量超低，延遲1.5 s 左右進行主備系統切換，再延遲4 s 報“主循環水流量低 緊急”，同時向PCP 發送跳閘請求。

根據現場后臺事故報文可知，在02∶13∶40∶388 報“主循環水流量低 報警”，延遲約1.5 s 后由于主循環水流量達到超低，水冷控制保護系統執行系統切換，再經過約4 s 后報“主循環水流量低緊急”并向PCP 發送了請求跳閘信號。整個過程與“主循環水流量低”邏輯關系一致。由后臺報文信息可以看到，從02∶13∶40∶148 泵一退出運行到02∶13∶44∶420 泵一運行，4 s 內無主泵處于運行狀態，在此過程中分別出現了“主循環水流量低 報警”“主循環水流量低 緊急”，故判斷“主循環水流量低”跳閘是由兩主泵均退出運行導致的。

2.2.3 RS8680 單板故障試驗驗證分析

經測試發現，該換流站CCPA柜+1.H8.14位置和+1.H13.10 位置兩塊RS8680 插件板卡故障，一塊是板卡通道二測量數據偏低，另一塊是板卡通道三測量數據偏低。通過搭建測試平臺，依次測試板卡各通道的輸入輸出情況，驗證結論［7］顯示測試平臺結構如圖4 所示。

圖4 測試平臺及測試點示意

在板卡各通道分別輸入0 mA 和10 mA 電流，測試HCPL7800 輸入電壓、HCPL7800 輸出電壓、輸出至背板電壓，進行數據對比得出結論。結點電壓的測試數值如表1～4 所示。

表1 輸入0 mA 時故障RS8680 板卡1 各測試點電壓

表2 輸入10 mA 時故障RS8680 板卡1 各測試點電壓

表3 輸入0 mA 時故障RS8680 板卡2 各測試點電壓

表4 輸入10 mA 時故障RS8680 板卡2 各測試點電壓

從表1～4 可以看出，板卡1 的通道2、板卡2 的通道3 的HCPL7800 輸出異常，與正常采樣值相比均偏低，與現場故障現象一致，推測是兩塊板卡通道異常的隔離放大芯片HCPL7800 功能失效導致的。

2.2.4 其他可疑問題判別

由“主泵壓差故障”邏輯判別結論可知，“主泵壓差故障”只會導致主泵切換，并不會造成主泵全停，并且CCP 邏輯中關于主泵全停的邏輯關系只有2 種可能：遠程停水；水冷系統泄漏。

在整個事件過程中，后臺并未報上述兩種故障信息。對主泵1 控制回路進行分析發現，主泵的控制指令是由+1.H13.3（RS853）開出5（主泵1開啟）和開出6（主泵1 關閉）雙節點控制+2.V23.X2ST2-2L 雙線圈輔助繼電器實現控制主泵啟停的。因此也可能是雙線圈輔助繼電器頻繁動作造成輸出節點不穩定，從而導致輸出節點打開而使得主泵1 短時間停運［8］。主泵1 控制回路示意如圖5 所示。

圖5 主泵1 控制回路示意

現場檢修期間還發現計量主循環水流量的表計接線也存在一定的問題，應是水流量低時報警，而表計的報警狀態與邏輯相反。

3 故障處理

3.1 “主泵壓差故障”邏輯設置

當出現“主泵壓差故障”時，應先嘗試主備系統切換，如果切換后，新升為運行的主系統未出現故障報警，則水冷系統可以繼續運行，如果新升為運行的主系統在運行中故障仍然存在，則繼續進行主泵切換。若完成主泵切換后故障繼續存在，則執行主泵回切，之后保持主泵運行狀態，并閉鎖“主泵壓差故障”執行切泵的邏輯，直至故障完全消除后開放相應切換邏輯和功能，在此過程中不能影響其他切泵邏輯關系。

3.2 雙線圈輔助繼電器測試

主泵全停有可能是雙線圈輔助繼電器頻繁動作造成的，故對水冷系統中的雙線圈輔助繼電器進行測試。在停電檢修期間進行手動切換主泵試驗，觀察ST2-2L 雙線圈輔助繼電器輸出節點是否出現異常打開的情況。經現場測試結果確認，雙線圈輔助繼電器工作狀態正常，未出現異?，F象，故排除這一故障可疑點。

3.3 RS8680 板卡問題處理

對RS8680 板卡進行試驗測試，結果顯示，是兩塊板卡通道異常的隔離放大芯片HCPL7800 功能失效，這是導致本次主泵停運的主要原因，為了驗證這個故障原因，將故障板卡的隔離放大芯片HCPL7800 進行更換，在之前搭建的板卡測試平臺上再次測試，測試數據顯示一切正常，在停電檢修期間對水冷系統配置的所有RS8680 板卡進行采樣值測試，并對異常板卡進行更換。更換隔離放大芯片HCPL7800 后板卡各點電壓測試數據如表5 所示。

表5 更換隔離放大芯片HCPL7800 后板卡測試各點電壓

3.4 主循環水流量計量表更換

現場停電檢修期間，發現水冷控制保護系統的主循環水流量計存在問題，更換新的流量計，并設置好各個參數。

4 討論

（1）在水冷系統發生故障時，先切換控制系統還是主泵？一般情況下，一次系統出現問題的概率遠遠小于二次系統，切換系統的時間更快，切主泵的危害則更大一些，同時，先切主泵也可以用來驗證CCP 發出的指令是不是正確的。

（2）“主泵壓差故障”是一直執行切主泵的指令直到故障消失還是切換一次系統切換一次主泵后閉鎖“主泵壓差故障”執行指令邏輯？當出現“主泵壓差故障”時，應該執行切主泵的指令，但如果切換后仍然存在故障繼續切泵，會導致有一段時間兩個主泵都不在運行狀態，主循環水流量會降低跳閘，最終導致該極閉鎖。為避免此現象，在切換完系統后若存在故障，則進行切主泵，如果切換主泵后故障仍然存在，則閉鎖“主泵壓差故障”執行切主泵的邏輯命令。

5 結語

通過本次故障檢修和處理過程，對閥水冷系統的整體結構、設備組成、控制保護系統的結構和功能有了進一步了解，特別是水冷控制保護的故障判別邏輯，在故障處理過程中判斷出可能導致故障產生的各種原因，將故障范圍一步步縮小，直到最終定位。本次對換流站換流閥水冷系統的分析和判斷有利于水冷系統和整個換流站更加安全穩定地運行，也為今后直流檢修提供了一些現場檢修的思路，提高特高壓直流控保系統檢修的效率和準確度。