基于烟雾和紫外检测的高压直流换流阀火灾探测系统

王 抗，郑卫红，刘建国，常聚忠

（国网湖北省电力有限公司检修公司，湖北 武汉 430050）

0 引言

高压直流换流阀（可控硅）是直流输电工程的“心脏”，可实现交流和直流的变换功能。换流阀长期运行于高电压、大电流，任何元部件的故障或电气连接不良，都有可能引起局部过热，绝缘被破坏，产生电弧和引起失火。世界上投运的直流输电工程曾发生多起换流阀着火事故，因此必须换流阀必须配置先进可靠的防火系统[1]。

1 换流阀结构简介

目前直流输电工程的换流阀塔均采用悬吊式设计，即换流阀通过绝缘子悬吊在阀厅顶部的钢梁上。换流阀塔主要包括晶闸管组件、电抗器组件、屏蔽罩、悬吊支撑结构、阀避雷器等，通过PVDF冷却水管、连接母线、光缆等实现与冷却系统、直流输电系统其它一次设备以及二次控制系统的连接。

每个晶闸管组件由晶闸管、RC阻尼回路、直流均压电阻、TCU、散热器、聚偏氟乙稀（PVDF）水管、夹紧带（玻璃纤维环氧树脂）、电容支架、铝横梁及相关导流回路连接而成，其物理结构如图1所示。

2 换流阀火灾危险分析

换流阀在运行中产生大量热量，导致晶闸管组件内元部件结温升高。而换流阀组件又是由大量的塑料、合成材料和非导电体组成，极易引起元部件严重发热从而引发着火燃烧。对阀塔而言，燃烧会自然恶化形成烟囱效应。因此换流阀组件的元部件在前期设计阶段必须具备可靠的防火性能，在阀塔内任何初期的燃烧在换流阀保护跳闸之前应不会蔓延，并且一旦断开电源后火势会自行熄灭[1]。同时配置灵敏性极高的火灾探测系统，在发生火灾后立即闭锁换流阀。

图1 换流阀晶闸管组件结构图Fig.1 Converter valve thyristor assembly structure

2.1 换流阀厅结构分析

换流阀塔悬挂在阀厅内，阀厅为一个封闭的环境。从失火看运行设备封闭意味着一旦失火，毒气、腐蚀性烟雾和热量不能扩散并随即影响其他设备，这时如果阀厅的结构材料有助于火势加大，则会使设备更加受到热量高烟雾的损害[1]。

为减少阀厅失火几率，在阀厅中应尽可能采用不能燃烧的结构，如果不能实现，则须同时考虑灭火措施，采用能防止着火爆炸的结构。对于阀厅结构，不仅要规定采用非可燃性材料，还应要求结构材料具备耐火性能[1]。阀厅的建筑结构同时考虑既能助减火势又能便于维护，同时安装排烟系统，使之能在灭火时排除烟雾。阀厅应配置空调系统，将阀厅相对湿度控制在60%以下。

2.2 换流阀防火分析

换流阀在电气设计、材料选择和机械设计方面必须采用提高换流阀防火性能的措施[1]。

换流阀材料选择时，充分考虑材料的阻燃性能，采用无油化设计。阀内的非金属材料都是阻燃的，并具有自熄灭性能。在不降低材料其它必备的物理特性（比如机械强度和电气绝缘特性等）的条件下，所有塑料中添加有足量的三氢化铝(ATH)阻燃剂。换流阀所选的非金属材料具有自熄灭特性，这意味着在燃烧源切断后，火会迅速熄灭，并且燃烧的滴落物不会造成火势蔓延[1]。光纤放置在光纤槽内，光纤槽采用的是阻燃材料，而且在光纤槽的底部和光纤与晶闸管级的连接处，还有阻燃的密封膨胀材料，以隔绝火的扩散。表1为换流阀防火措施分析表，这些措施可以保证光纤的安全使用。

3 火灾探测系统介绍

为提高换流阀和阀厅的防火能力，在阀厅内必须装设完善的火灾探测系统，其中基于空气采样原理的极早期烟雾探测系统（VESDA系统）和基于紫外光检测原理的探测系统（紫外探测系统）获得广泛的应用。

3.1 极早期烟雾探测原理

VESDA是“Very Early Smoke Detection Apparatus”的缩写，即“早期烟雾探测设备”，通常也称为吸气式或空气采样式烟雾探测器。该系统主要基于光学空气监测技术和微处理器控制技术，在火灾初期能灵敏地探测烟雾、电弧生成物以及空气中的燃烧生成微粒，产生报警，从而消除火灾隐患，使火灾的损失降至最小[1]。

VESDA系统是一种收集空气采样的管网，并将采样数据送到远方进行分析的早期火警探测装置。该装置通过一个自带的过滤装置，滤除空气中常规大分子及粉尘，将燃烧前期产生的大量小分子微粒收集起来，检测这些浓度极小，直径小于微米级微粒的存在，探测出早期火情。VESDA系统可与中央火灾报警控制装置进行信息交换，同时将信息输出送至控制室后台管理机，并产生报警，然后通过中央火灾报警控制装置联动相应的消防系统。

表1 换流阀防火措施分析表Tab.1 Analysis of fire protection measures for converter valve

3.2 紫外光检测原理

物质燃烧时，在产生烟雾和放出热量的同时，也产生可见或不可见的光辐射。火焰探测器又称感光式火灾探测器，它是用于响应火灾的光特性。即扩散火焰燃烧的光照强度和火焰的闪烁频率的一种火灾探测器。根据火焰的光特性，紫外光探测器对波长较短的光辐射比较敏感。紫外光探测器是敏感高强度火焰发射紫外光谱的一种探测器，它使用一种固态物质作为敏感元件。

紫外光探测器对火焰发射的紫外线辐射响应迅速，考虑到太阳辐射大量的紫外线成分，因此紫外光探测更适应安装在室内。为了避免烟雾对探测器的影响，紫外光探测器应安装在距离阀厅顶面1 m的位置。

3.3 火灾探测器配置原则和要求

极早期烟雾探测系统对烟雾敏感，紫外探测系统对明火及电弧敏感。两种不同原理的探测器应能满足阀塔设备全覆盖为原则进行布局。当阀塔设备着火时，应有两种不同原理的探测器同时检测到火灾时，允许动作跳闸（闭锁高压直流系统）。采用极早期烟雾报警和紫外探测两类报警信号同时发生作为闭锁直流的判据，既可以防止误动，也可以防止拒动。任意探测器监测到异常时应能够及时发出报警信息。

阀厅内极早期烟雾探测系统的采样管道布置，以探测范围覆盖阀厅全部面积为原则，至少要有2个探测器检测到同一处的烟雾。在阀厅空调进风口处装设烟雾探测探头，启动周边环境背景烟雾浓度参考值设定功能，防止外部烧秸秆等产生的烟雾引起阀厅极早期烟雾探测系统误动。极早期烟雾探测系统一般分为 4级报警，分别是警告、行动、火警1和火警2，采用火警2(最高级别报警)作为跳闸信号。

阀厅紫外探测系统的探头布置完全覆盖阀厅面积，阀层中有火焰产生时，发出的明火或弧光能够至少被2个探测器检测到。

3.4 火灾探测系统保护配置

直流换流站每极阀厅火灾探测系统保护配置由极早期烟雾探测器、紫外探测器、电源回路、信号扩展传输回路、火灾报警判断逻辑等组成。

阀厅火灾探测系统一般主要配置为VESDA烟雾探测器8个，紫外火焰探测器10个。其中8个VESDA烟雾探测器中的7个安装于阀厅内6个阀塔顶部钢构架上，以实现对阀厅内特别是阀塔上方空间的烟雾检测；1个安装于阀厅空调的进风口风道内，实现对进入阀厅内空气的烟雾检测功能。10个紫外火焰探测器，均匀分布在阀厅四周的墙壁上，实现对相应区域内紫外火焰的检测功能。阀厅火灾探测器分布图如图2所示。

VESDA系统包括VLP激光探测器及采样管网、VESDA中央管理器Programmer及显示模块Display、后台管理机系统、消防系统总控制盘系统。紫外光探测器由紫外光探测器、监视模块、消防模块端子箱和控制模块组成。

图2 阀厅火灾探测器分布图Fig.2 Valve hall fire detector distribution map

每个VESDA探测器或每个紫外探测器检测到的信号输出3个火警硬接点，一路送至火灾监视报警系统，另两路串联后由就地的VESDA扩展箱分为A、B两路110 V直流信号，通过阀厅火灾报警汇控箱分别送至阀厅消防接口屏的A、B装置，然后送给相应极的高压直流控制保护系统。极早期烟雾探测系统和紫外探测系统发出的跳闸信号直接送到冗余的直流控制保护系统(不经过火灾中央报警器)，由直流控制保护系统执行跳闸闭锁命令。

直流换流站阀厅火灾保护跳闸逻辑考虑两种情况：一是阀厅内所有极早期烟雾探测传感器有一个检测到烟雾报警，且同时阀厅内所有紫外探头中任一个检测到弧光，当上述两个条件同时满足时允许跳闸出口；二是若进风口处极早期传感器监测到室外烟雾时，闭锁极早期系统的跳闸出口回路（避免因阀厅外环境因素引起火灾报警系统误动）。在进风口处极早期传感器监测到烟雾的情况下，若有2个及以上紫外探头同时发出报警，仍允许跳闸出口。

4 案例分析

4.1 换流阀触发板TFM着火分析

2013年 05月25日某换流站极Ⅰ高端阀组“阀厅空气采样、晶闸管BOD动作”报警。运维人员现场检查发现极Ⅰ高端阀组Y/Y-B相第二层（从上向下）阀塔有零星火光，立即手动紧急停运极Ⅰ高端换流阀。

现场检查发现极Ⅰ高端Y/Y B相阀塔阀组件2个可控硅、10个TFM触发板及框架、68根触发回报光纤、光纤保护套等烧毁，1根水冷电阻水管损坏。经分析认为起火点为极Ⅰ高端Y/Y B相阀塔第二层（从上至下）第45号TFM板卡，该TFM板卡起火后元件损坏造成放电，导致相邻TFM板卡和光纤着火以及第43号晶闸管水冷电阻冷却水管烧损漏水。

此次故障暴露出的问题为：一是换流阀触发板TFM存在质量问题，设计方面取能回路串接在晶闸管阻尼回路中，工作电压较高、工作电流较大，且保护设计不充分，存在TFM板无保护的情况，导致元件发热起火；二是触发板TFM阻燃设计不充分，当单个TFM板故障起火时，不能及时切除故障回路或隔离故障元件，反而造成火势横向、纵向蔓延；三是触发板TFM运行温度较高存在安全隐患；四是阀厅火灾消防系统仅投入报警功能，未投入跳闸出口功能。

4.2 换流阀阻尼电容着火分析

2013年06月15日某换流站极Ⅱ低端换流阀“阀厅空气采样、晶闸管BOD动作”报警。运维人员现场检查发现极Ⅱ低端Y/D A相阀塔第二层有火苗，立即手动紧急停运极Ⅱ低端换流阀。

现场检查发现极Ⅱ低端Y/D A相阀塔A4晶闸管阻尼电容故障开裂，临近3只电容器有灼伤，触发回报光纤30根烧损。经分析认为故障起始点为A4晶闸管阻尼电容器，该电容器内部故障导致铝质外壳开裂后起火，进而引起相邻A5组件触发和回报光纤烧损，附近3个电容器外壳灼伤。

本次故障直接原因为电容器生产质量问题，未考虑防爆设计，故障时无法及时退出运行，最终将造成电容器爆裂。应当安装具有防爆设计的电容器：当电容器短路、发热造成内部气压达到一定值时，电容器外壳防爆褶皱圈被拉伸，内部电容器单元间的硬连接线被拉断，故障电容器将及时退出运行，避免故障扩大。

此次故障暴露出的问题为：一是阻尼电容器在设计、选材、工艺等方面存在质量缺陷，未充分考虑防爆、阻燃、损耗等设计；二是阀厅火灾消防系统仅投入报警功能，未投入跳闸出口功能，在检测器检测到火苗时，未及时动作出口闭锁换流阀。

5 结论

极早期烟雾探测系统和紫外探测系统是目前国内直流换流站阀厅比较普遍采用的设备，通过近几年的运行经验，均起到了比较好的实践效果。通过完善的闭锁逻辑判据可以有效地防止误跳闸，但是探测器属于精密仪器，易受周围环境的影响，在实际运行中存在误报警的风险，因此需要运维值班人员及时采取有效的隔离措施，防止引起设备误跳闸。同时每年利用设备停电的有利时机，由专业人士采用专业仪器对探测器的性能进行检查，以确保其正常运行，以此提高高压直流系统可靠运行性能。

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[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.ZHAO Wanjun.HVDC engineering technology[M].Beijing：China Electric Power Press,2004.