換流閥水冷系統故障統計及原因分析

高源，任麗佳

（1.國網陜西省電力有限公司營銷服務中心（計量中心），陜西 西安 710000；2.國網山西省電力公司超高壓變電公司，山西 太原 030000）

近年來，國內外電力行業得到了飛速發展，尤其在電力傳輸技術領域，已經獲得了諸多新的成果，越來越多的技術方法為提升電力傳輸能力提供了幫助，高壓直流輸電工程的持續開展，使得國家電力傳輸優化方面得到了更多保障[1-2]。而不同區域經濟水平高低不同，導致電力需求水平亦存在差異，跨區聯網是解決該問題的重要措施之一，實現不同地區電力容量的平衡分布，有利于緩解用電緊張的問題。

高壓直流輸電系統中的換流閥作為直交流高電壓轉化的重要裝置，在運行過程中容易出現故障，容易造成換流系統停運，從而造成無法估量的經濟和社會損失[3-4]。換流閥在高壓直流電系統中發揮著重要作用，換流閥的安全運行，是高壓直流輸電穩定運行的重要保障之一。換流站的閥冷系統是換流閥系統的組成部分，是為晶閥冷系統降溫而設計的一套循環冷卻水系統。相關資料顯示[5-6]，既往已經有較多有關換流站閥冷系統運行故障的研究報道，但多數研究仍存在一定局限性，僅側重于換流站或某幾個換流站，其研究結論并不適用于全國大范圍的換流站。

因此，本文將結合相關文獻資料，對閥冷系統故障的發生原因進行系統性分析，以期為發冷系統故障提供有價值的預防和解決依據，對于換流站綜合考慮發冷系統的運行狀況提供相應的參考。

1 閥冷系統運行故障原因分析

1.1 設備故障

1.1.1 主循環泵故障

主循環泵是冷凝水系統中保證冷凝水壓力不變、流速不變的重要操作設備。循環閥水冷卻系統的主泵軸封結構復雜，需要有較高的制造與安裝精度，如果使用不當，將會造成嚴重的磨損與壽命縮短。主泵出現的故障有3 種，即振動異常、軸封破損、輸油量小。引起振動的因素有不平衡、基座松動、軸偏移、潤滑油振動、主軸彎曲及軸的摩擦力等。

1.1.2 變頻器故障

變頻調速器在速度要求較高的場合，輸出的電壓和頻率各不相同。變頻調速裝置的起動方式受施加電壓影響較大，不適用于頻率、負載不變的場合。采用變頻調速技術實現了變頻調速，如果發生故障，則主循環泵將停止運轉。

1.1.3 傳感器故障

閥冷系統中的傳感器主要采集流量、水位、溫度、壓力等運行參數。若感應器不精確或受損、接線端松開、基座未緊固或者有嚴重的環境電磁干擾，那么實際測量值與監測值之間就會出現較大的誤差，從而導致出現錯誤的報警和錯誤的保護動作。當傳感器出現故障時，將會引起流量、水位、溫度、壓力等測量值異常，超出閥門的冷態設定值，將引起閥門組跳閘，影響直流輸電。

1.2 水路問題

在水力循環系統中，經常會出現管路堵塞、漏氣、和水位變幅等現象，對水力調節閥冷卻系統造成較大的影響。換流閥冷卻系統易發生腐蝕結垢，嚴重影響換流閥的安全運行。通過對轉爐站實際運行情況的分析，發現在等壓極、換熱器、過濾器、水管路及硅片散熱器上都有可能出現結垢現象。內冷卻水系統中的結垢樣品脫落會引起水系統堵塞、水流動不順暢及內冷水的效能下降，會引起電器部件燒損，甚至引發火災。

1.3 監控系統故障

閥水冷卻監控系統不僅能監控內外冷系統，還能實現與各極點控制系統之間的信息交互。其中，閥式水冷監測系統主要采用可編程序控制器（天廣和高橋為SⅠMATⅠCS5 型系統，興安和云廣為SⅠMATⅠCS7 型系統）。在主系統發生故障的情況下，該系統能自動、迅速、平穩地切換到備用系統，且可實現自動起動。為了確保閥門冷卻系統的正常運轉，要根據相關裝置的具體運行情況，來設定監測系統的參數。

1.4 自然因素

外界溫度的改變也會引起停電。在冬季，由于直流系統長時間停用，水冷卻水溫度較低，內冷卻水系統采用旁路回路運行，造成了室外冷卻塔管路溫度偏低。在外界溫度升高時，或者在剛剛解除鎖定時，冷卻水的溫度升高，經冷卻塔由旁路回路轉為循環式運行時，內、外水溫驟變，水位驟降，造成漏電保護動作，引起單極閉鎖。

2 換流站閥冷系統故障統計與分析

對1990—2018 年間國內發表的200 余篇國內換流站故障的文獻進行了檢索，發現66 例由于氣門冷卻系統造成的換流站設備失效。依據失效的成因及失效的時刻，將失效的情況進行歸類、總結，如圖1 所示。根據3 個階段的數據對中國某變頻器換流站閥冷系統的失效情況進行了分析。1990—2000 年換流站閥冷系統故障原因統計如圖2 所示。

圖1 換流站閥冷系統故障年份統計圖

圖2 1990—2000 年換流站閥冷系統故障原因統計圖

由圖1、圖2 可知，2000 年前閥冷系統故障較少。其中，水路缺陷導致的故障較多，主要表現為腐蝕、結垢、堵塞等現象。另外，由于2001—2010 年換流站數量少，換流閥設計不完善，仍然存在很多問題，如圖3 所示。

圖3 2001—2010 年閥冷系統故障原因統計圖

由圖1 和圖3 可知，2001—2010 年間，新換流閥閥芯數量逐年增加，在變電站運行過程中，變電站的各種故障也不斷出現，逐漸暴露出許多問題。而在這些問題中，水力問題和設備問題所占的比例很大，仍是導致換流閥門失效的主要因素。

2011—2018 年以來，由于時間較短，中國轉爐閥體冷卻系統的事故較少，說明由于對轉爐閥體故障的重視和各種處理方法的使用，事故率已明顯降低。較大的停電事故發生在興仁、龍泉、興東、德陽、忠州和金華換流站。其中，系統設備故障、水路缺陷和供電問題是最常見的故障類型。由此可見，設備維護、水路系統缺陷和電力系統穩定仍是需要解決的重要問題。

3 事故預想及解決方式的研究

以山西雁門關換流站（2017 年6 月投運）極-高端閥冷系統（如圖4 所示）為基礎，建立事故預想模型，給出事故解決方案。

圖4 ±800 kV 特高壓雁門關換流站極-高端閥冷系統

3.1 閥冷系統異常及故障

現象描述：內水冷流量低報警，內水冷流量低時內水冷主循環泵切換。

處理步驟：①檢查管道流量和進閥壓力有無異常并橫向比對，若判斷為表計故障，在內水冷控制面板上將故障表計退出，通知相關檢修維護人員處理；②檢查主循環泵運行情況，泵轉動中有無刺耳的雜音（防止泵中有空氣限制流速），檢查備用泵有無空轉現象，發現異常切換主循環泵，通知相關檢修維護人員處理；③檢查閥門位置是否正常，若閥門位置異常，通知相關檢修維護人員處理；④檢查水冷管道有無滲漏，若發現滲漏點及時進行處理。

3.2 內水冷溫度高報警

現象描述：閥水冷溫度高報警。

處理步驟：①檢查空冷系統風機運轉是否正常及冷卻塔風扇運行是否正常，若發現異常狀況，運用冗余冷卻能力，并退出故障設備，檢修維護人員參與處理；②檢查噴淋泵運行是否正常，若發現異常狀況，切至備用噴淋泵運行；③檢查冷卻塔風扇運行是否正常，若發現異常狀況，運用冗余冷卻能力，退出故障設備，通知相關檢修維護人員處理；④通過軟件對2 套保護系統進行檢查，觀察換流閥進出水溫度與冷卻塔出水溫度的情況，如溫度存在較明顯差異，此時應密切監視，并需要專業的檢修維護人員進行處理；⑤在測量值接近時，需要對溫度進行密切監視，同時應結合現場的實際情況，采取針對性的輔助降溫措施；⑥如觀察到溫度持續上升，則需要申請調度降低直流負荷。

3.3 內水冷泄漏

現象描述：內水冷泄漏報警或膨脹罐水位低報警；巡視或監視過程中，發現內水冷有泄漏或水位異常降低的情況。

處理步驟：①檢查內水冷膨脹罐水位是否正常，若水位正常且保持不變，通知相關檢修維護人員處理；②若水位持續迅速下降，立即申請調度停運相應閥組，通知相關檢修維護人員處理；③若水位緩慢下降，達到補水液位，檢查補水泵是否啟動，若未啟動，手動啟動補水泵，保持水位在正常范圍，查找內水冷回路漏點；④檢查閥廳地面是否有水跡，若發現閥塔漏水，請調度停運相應閥組；⑤若主循環泵漏水，立即切換至備用泵運行，斷開故障泵的電源開關和安全開關，關閉故障泵的進出水閥門，通知相關檢修維護人員處理；⑥若發現內水冷管道有漏點且能有效封堵，應進行封堵，無法封堵但能夠隔離的進行隔離，無法封堵且無法隔離的，申請調度停運相應閥組；⑦以上部位均未發現漏水且冷卻塔有冗余，輪流關閉一組冷卻塔內水冷進出水閥門，檢查膨脹罐水位是否下降，排查冷卻塔內部是否漏水；⑧若檢查發現冷卻塔內部內水冷管道漏水，且冷卻塔有備用冗余時，將該組冷卻塔隔離，通知相關檢修維護人員處理。

3.4 內水冷電導率高

現象描述：內水冷電導率高報警信號。

處理步驟：①現場檢查內水冷電導率表計的指示是否正常、2 塊表計讀數是否一致；②若2 塊表計讀數偏差較大，則可能為表計故障，通知相關檢修維護人員處理；③檢查水質，如果剛做過補水工作，檢查所使用補充水的電導率；④檢查電導率測量裝置的報警值整定，若電導率確實偏高，則通知相關檢修維護人員處理。

3.5 閥漏水檢測器報警

現象描述：閥漏水監測報警信號。

處理步驟：①采用攝像頭并派人對閥廳地面及閥塔進行細致檢查，確定是否已經有水，查看膨脹罐水位情況，是否已經出現下降；②如果閥漏水檢測器信號能夠復歸，檢查未發現水跡且水位未發現下降，則加強對該極內水冷系統運行情況的監測，必要時申請調度停運相應閥組；③在閥漏水檢測器信號不能實現復歸時，未找到水跡，同時亦未見水位發生下降，此時需加強監測，通知相關檢修維護人員處理，必要時經公司分管領導批準申請調度停運相應閥組；④若漏水檢測器信號不能復歸，檢查發現水跡或發現水位下降，則立即申請調度停運相應閥組。

3.6 內水冷傳感器報警

現象描述：內水冷傳感器故障相應報警信號。

處理步驟：①在水冷控制面板上檢查各傳感器示數是否相近，若差異較大，加強監測，通知相關檢修維護人員處理；②若發現報警傳感器測量值異常，在水冷控制面板上將故障傳感器隔離，通知相關檢修維護人員處理；③若檢查未發現異常，通知相關檢修維護人員檢查回路。

3.7 內水冷主循環泵故障

現象描述：閥內水冷系統主泵出現故障，備用泵投入運行正常。

處理步驟：①檢查主泵電機，若主泵電機有嚴重發熱、冒煙現象，立即在VCCP 室主泵動力柜內進行斷電，斷開內冷水室主泵電機安全開關，做好安全措施并通知相關檢修維護人員處理；②若主泵電機外觀檢查正常，對主泵電機電源開關和安全開關進行檢查，若無異常，斷開電源開關柜電源開關，做好安全措施并通知相關檢修維護人員處理；③若開關跳開則將跳開開關試合一次，若試合成功，加強監測，試合不成功，通知相關檢修維護人員處理；④一臺泵運行的情況下，要加強監測直流系統的運行情況，嚴防丟失該泵電源（此時一般不進行站用電系統切換操作），如短時間內無法恢復故障泵，應將相關情況向調度報備。

自2011 年以來，國內的換流閥閥冷系統并未出現較多故障，隨著人們對其重視程度的提高及各種故障相關解決方案的應用，換流閥故障的發生概率已經處于較低水平。在這段時間內，水路系統設備故障、水路缺陷及供電隱患是換流站主要的故障類型，仍然有必要對設備進行積極維護，完善水路系統，同時盡可能地維持電網穩定是目前相關領域工作中的重要目標。

4 結束語

換流站閥冷系統的安全性、可靠性與換流站的安全運行密切相關，加強對閥冷卻系統的監測與保護是保證換流站閥冷系統安全可靠的關鍵；換流站的氣門冷卻系統有許多弱點，對其故障的成因進行了詳細的剖析，造成閥門冷卻系統故障的主要原因是水槽缺陷和設備故障；以2017 年投產的雁門關換流站閥冷接線為基礎，建立事故預想，給出解決方案，保障換流站閥冷系統的安全。