换流站阀冷系统轻微漏水检测方法研究

赖皓， 李靖翔， 梁天明

(中国南方电网超高压输电公司广州局，广东 广州　510405)



换流站阀冷系统轻微漏水检测方法研究

赖皓， 李靖翔， 梁天明

(中国南方电网超高压输电公司广州局，广东 广州510405)

阀冷系统漏水检测是通过监测膨胀水箱水位来实现。目前，漏水告警定值是假设于阀冷系统有较严重的漏水，而对于水量缓慢减少的情况无法有效进行检测。通过研究换流站阀冷系统内冷水管路结构特点，分析影响膨胀水箱水位的主要因素，结合实际运行的内冷水管路参数，提出有效检测内冷水水位的方法。

高压直流；阀冷系统；漏水；监测与故障诊断

0　引　言

阀冷系统是高压直流输电系统中重要的辅助部分，它将阀体上各元件的功耗发热量排放到阀厅外，保证晶闸管运行结温在正常范围内[1]。根据南方电网各直流系统阀冷系统运行情况分析，轻微漏水的故障占多数，而且对设备危害也非常大。水量缓慢减少的情况目前是无法反映在工作站直观的界面上或依靠控制系统进行检测[2]，因此提出一种有效检测内冷水轻微漏水的方法。

1　阀冷系统漏水检测功能概述

1.1阀冷系统结构

直流输电系统双极各配备一套阀冷系统，每一套阀冷系统可分为内冷水系统和外冷水系统两个部分，其中内冷水系统为密闭式循环水系统，由主循环泵、主过滤器、膨胀水箱、冷却塔、换流阀众多水冷管道等组成，其主要功能是将换流阀上各元件的功耗发热量排放到阀厅外，保证晶闸管运行结温在正常范围内，确保其可靠运行[3]。单极阀冷内冷水系统简图如图1所示。

图1　单极阀冷内冷水系统图

1.2现有漏水检测逻辑

膨胀水箱为敞开式水箱，用于监测内冷水管路水位和控制补水泵对内冷水系统补水，同时用于补偿温差引起的水体积变化，并对内冷水系统的少量渗漏水进行补充。膨胀水箱配备了水位传感器，通过膨胀水箱的水位来检测内冷水水量。膨胀水箱水位低于45%时，补水泵自动启动进行补水；水位低于20%时，系统发膨胀水箱水位低告警；水位低于10%时，主循环泵自动停运，直流输电系统相应极停运。

按照目前的规程，发生下列情况之一阀冷系统认为内冷水管路存在漏水现象，阀冷系统向极控发出漏水告警信号：(1) 10 s内膨胀水箱水位下降2%；(2) 补水泵持续运行达2 h；(3) 补水泵在24 h内启动两次[4]。由此可以看出，相关定值的设定是假设于阀冷系统有较严重的漏水[5]。

1.3历年阀冷系统漏水情况

2008年至今，南方电网超高压公司广州局所辖各站共出现阀冷系统漏水缺陷11起。经过对这些缺陷的分析和梳理，得出目前主要导致阀厅内冷水泄漏故障的原因主要有以下四种：(1) 内冷水小水管磨损；(2) 密封圈失效；(3) 均压电极线发热导致的管路损坏；(4) 主泵轴承漏水[6]。

阀内冷水管道较长，尤其是水流经换流阀时分成了很多细小的管道，且接口众多，在长期运行过程中，很容易出现漏水的现象。根据目前的运行数据来看，轻微漏水的故障占多数，且大多数漏水地点在换流阀处，对设备的危害非常大。此外，由于换流阀温度高，细微漏水很容易被蒸干，使得漏水点不容易发现[7]。

2　影响膨胀水箱水位因素分析

2.1内冷水管路水分布情况

内冷水管路的水根据温度的不同，可以分为流入换流阀的水和从换流阀流出的水。设换流阀进水体积为Vin，换流阀出水体积为Vout，内冷水管路容量为Vn，内冷水总体积为V，由于内冷水管路容量Vn为一个固定值，膨胀水箱水体积VL=Vin+Vout-Vn[8]。

2.2主要影响因素析

根据水的热膨胀特性，随着内冷水进水温度Tin和内冷水出水温度Tout的升高，内冷水总体积V增大。内冷水进水管道与膨胀水箱物理距离较远，在阀冷控制系统中，内冷水进水温度Tin被整定为40℃，只有夏季环境高温的时间段，内冷水进水温度Tin偶尔会稍微超过40℃，而且内冷水进水管道容量固定，可以将内冷水进水体积Vin近似视为一个固定值。内冷水出水管道与膨胀水箱物理距离较近，而且内冷水出水温度传感器B105位于膨胀水箱附近[9]，因此内冷水总体积V主要受内冷水出水温度Tout影响。膨胀水箱水量VL可简化表示为VL=Vout+C，C近似为一个固定的数值。

2.3标准温度下的膨胀水箱水量换算

已知水膨胀系数α与水温T的关系为α=f(T)，设标准温度T0下的水体积为V0，则温度T下的水体积VT=(1+α)V0。代入VL=Vout+C可以得到：

(1)

VL0=Vout0+C

(2)

将公式(2)代入公式(1)，得到：

(3)

实际中阀冷系统监测的是膨胀水箱水位L，由于膨胀水箱底部面积S不变，因此有：

(4)

由于内冷水进水管路容量和内冷水管路水体积近似为固定值，在任意一种工况下，C/S近似为一个固定值。设标准温度T0=4 ℃，查询水热膨胀系数表可以得到对应温度下的热膨胀系数α，通过实际运行数据可以计算出C/S的数值。已知温度T下的膨胀水箱水位LT，便能换算至标准温度T0的膨胀水箱水量L0，从而补偿温度变化对膨胀水箱水量的影响。

3　基于温度补偿的单极阀冷轻微漏水检测

3.1C/S常数计算

设内冷水管路水体积不变(未发生漏水)，因此标准标准膨胀水箱水位值L0不变，可以得到：

(5)

以500 kV宝安换流站为例，通过实际运行膨胀水箱水位及内冷水出水温度数据，可以计算出C/S的数值(如表1所示)。

表1　C/S常数计算

L0误差计算公式如下：

(6)

3.2检测原理

利用经验公式(4)，可以将温度T下的阀冷系统膨胀水箱水位LT换算得到T0温度下的标准膨胀水箱水位值L0。设t0时刻的标准温度膨胀水箱水位为L00，t时刻标准温度膨胀水箱水位为L0t，将L00其储存在一个寄存器中，寄存器延时t进行输出L0t。

(7)

由于α值很小，可近似表示为:

(8)

3.3仿真计算

利用MATLAB软件进行仿真试验，构建仿真逻辑电路如图2所示。取C/S=-2 350，L00=33.4，K=4，假设内冷水系统出现轻微漏水，输入实际运行数据得到表2的结果。

图2　单极轻微漏水检测逻辑

可以看出，当内冷水管路出现轻微漏水现象时，随着内冷水温度出水温度的升高，膨胀水箱水位仍然会有所上升。但是，漏水发生后标准温度下的膨胀水箱水位出现了明显下降趋势，当下降到达一定程度时，检测逻辑将判断内冷水管路发生漏水，向运行人员发送告警信号。

表2　仿真分析结果

4　基于双极膨胀水箱水位差的轻微漏水轻微检测

4.1检测原理

由于双极阀冷系统配置相同，在同一工况下，冷却能力相同，双极的内冷水出水温度Tout近似相等[10]。设极1和极2的标准温度膨胀水箱水位分别为L10和L20，ΔL标准温度双极膨胀水箱水位差。

(9)

由公式(9)可知，通过对L10和L20作差，可以将内冷水管道内部水的影响消除。已知温度T下双极膨胀水箱水位差ΔLT，不需要计算C/S的值即可求出ΔL0。当某一极出现漏水时，膨胀水箱水位差ΔL0将会增大。

4.2仿真计算

图3　双极轻微漏水检测逻辑

可以看出，当内冷水管路出现轻微漏水现象时，标准膨胀水箱水位差会逐渐增大，当增大到定值时，判断某一极内冷水管路发生漏水，向运行人员发送告警信号。

4.3双极综合检测逻辑

如图4所示，为了提高检测的可靠性，将单极检测和双极检测综合起来，当同时检测出某一极出现漏水且双极膨胀水箱水位偏差过大时，发该极的内冷水漏水告警信号。在单极停运的情况下，内冷水温度下降会使该极膨胀水箱水位大幅下降，为排除该因素的影响，在与门前加入对应的极解锁信号，闭锁停运极漏水检测功能；同时，由于双极膨胀水箱水位差的增大，相当于旁路了双极膨胀水箱水位差漏水检测功能，使得运行极仍然可以通过单极判据检测阀冷的漏水情况。综合检测逻辑适用于直流输电系统的多种运行方式，在双极平衡运行的方式下和在单极运行的方式下，运行极的漏水检测功能均能够正常使用。

表3　仿真分析结果

图4　轻微漏水双极综合检测逻辑

5　结束语

对于换流站阀冷系统，可以采用上述方法对内冷水缓慢漏水进行检测，与现有的漏水检测功能相配合，能够对各种类型的漏水故障进行有效地识别，当出现内冷水漏水故障时能够及时提醒运行人员进行处理，避免出现直流系统强迫停运的情况，对接下来高压直流输电工程的设计也有一定的借鉴和参考价值。

[ 1 ] 赵畹君.高压直流输电工程技术[M].北京:中国电力出版社，2004.

[ 2 ] 李爱生，朱韬析. 直流输电工程中阀水冷监控系统的改进建议[J].电力系统保护与控制,2010,38(16) ：153-156.

[ 3 ] 梁家豪,林睿,周翔胜.天广和贵广直流工程中的阀冷控制系统[J].高电压技术,2006,32(9)：92-95.

[ 4 ] 夏拥，江一，雷兵，等.±500 kV兴安直流输电工程宝安换流站运行规程[M].广州:中国南方电网超高压输电公司，2015.

[ 5 ] 夏拥，左干清，吴畏，等.高压直流阀冷系统漏水检测功能的改进[J].南方电网技术，2009，3(4)：53-55.

[ 6 ] 蔡国准.广州局所辖各站阀冷系统漏水缺陷分析报告[R]. 广州:中国南方电网超高压输电公司，2015.

[ 7 ] 李爱生,朱韬析.直流输电工程中阀水冷监控系统的改进建议[J] .电力系统保护与控制，2010，38(16)：153-156.

[ 8 ] 欧阳震，王苗.漏水检测在超高压直流换流站阀冷系统中的应用[J].硅谷，2012，11(1)：166-167.

[ 9 ] 西门子.宝安换流站阀冷维护手册[K].北京：西门子，2006.

[10] 洪乐洲，江一，翁洪志,等.换流站阀冷系统设计缺陷与改进措施[J] .南方电网技术，2013,7(1):44-46.

A Study on Slight Leakage Detection Methods for the Valve Cooling System at the Convertor Station

LAI Hao, LI Jing-xiang, LIANG Tian-ming

(Guangzhou Bureau, China Southern Power Grid EHV Power Transmission Co., Guangzhou Guangdong 510405, China)

Leakage detection for the valve cooling system is realized by monitoring the water level in the expansion tank. Leakage alarm valuing, currently based on the assumption of quite serious leakage in the valve cooling system, cannot detect slow decrease of water volume effectively. This paper discusses the structural features of the internal cooling water pipeline of the valve cooling system at the convertor station, analyzes main factors affecting the water level of the expansion tank, and under consideration of the parameters of internal cooling water pipelines in actual operation proposes a method that can effectively monitor the level of the internal cooling water.

HVDC;valve cooling system; leakage;monitoring and fault diagnosis

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.01.034

TP271+.3

A

1000-3886(2016)01-0106-03

赖皓(1988-)，男，广西人，助理工程师，本科，从事高压直流输电系统运行和研究工作。李靖翔(1983-)，男，湖北人，工程师，本科，从事高压直流输电系统运行和研究工作。梁天明(1984-)，男，河北人，工程师，本科，从事高压直流输电系统运行和研究工作。

定稿日期: 2015-08-20