高压直流换流阀水冷却系统常见缺陷分析及对策

闫迎，晏桂林，郝剑波

（国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

高压直流换流阀水冷却系统常见缺陷分析及对策

闫迎，晏桂林，郝剑波

（国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

阀冷系统作为高压直流输电换流站内最主要的辅助设备，对换流阀的正常运行至关重要。以广泛应用的换流阀水冷系统为例，结合部分因水系统异常引发的直流输电系统运行事故案例，总结了典型的几类阀冷系统缺陷类型，给出事故预防的对应策略，为提高阀冷系统的运行可靠性提供参考。

换流站；阀冷却系统；缺陷分析；预防措施

换流阀在换流站中承担着交—直流转换的功能，是换流站的核心设备。由于阀内部可控硅元件在运行过程中将产生大量的热，为保证元件的正常使用，需要为其配置专用的冷却系统〔1〕。目前，阀水冷却方式因冷却效率高、占地面积小等优点，成为应用最广泛的冷却方式，据此，提高冷却水系统的可靠性对保障换流阀的安全具有重要作用〔2〕。

然而，国内部分直流输电工程的运行经验证明，阀水冷系统故障已成为影响换流站运行安全的重要因素之一，当水冷系统发生故障时，轻者引起输电功率的降低，严重者引起直流闭锁停运甚至阀片受热损坏〔3〕。为此，开展阀水冷系统常见故障类型的归纳分析，确定适宜的预防应对措施，对于保障换流阀的稳定工作尤为重要。

1 换流阀水冷系统简介

1.1 阀冷系统结构

为了最好的提高换流阀的冷却效率，一套完善的阀水冷系统主要由图1所示的阀内水冷和阀外水冷两部分组成〔4〕。

图1 阀冷系统结构介绍

阀内水冷系统主要由主循环泵、过滤器、膨胀罐、离子交换器、冷却塔等组成。作为一个相对密闭的循环系统，内冷却水在换流阀内吸热升温后，由循环水泵驱动进入冷却塔内的换热盘管，在塔内经外冷水喷淋盘管表面降温后由再次进入换流阀，重复下一个过程。另外一小部分内冷水被送去接受去离子、过滤等处理，满足换流阀对水质的要求。对此，整个内冷水系统又可以分为水循环、水处理两部分回路。

阀外水冷系统主要由软化单元、反渗透场、加药系统、喷淋系统等组成。为了防止喷淋水在盘管外表面产生结垢现象，外部源水经过软化反渗透处理并除去水中的镁、钙和金属离子，水质合格后流入冷却塔对内冷水进行降温。

1.2 阀冷系统监控

为保证冷却系统的可靠运行，每套换流阀还设有完善的监控系统，重点实现以下功能〔5〕:

1)监视功能。主要监视内冷水的进出水温度、流量、压力、电导率、膨胀水箱水位、外冷水池水位，以及水泵、风扇等旋转设备的运行情况，一旦发现异常，则启动告警提示运行人员。

2)控制功能。主要完成主泵及外冷水喷淋泵的起停和切换、平衡水池水位和膨胀罐压力的调节、冷却塔风扇转速控制、阀门设备的位置改变等功能。

3)保护功能。主要有泄漏保护、温度保护、流量保护、水位保护、压力保护、电导率保护等。当发现异常时动作信号被直接送至保护系统的出口继电器，停运直流输电系统。

2 常见故障分析及预控

从上面介绍可以看出，阀水冷系统的组成比较复杂，涉及元件比较多，工作过程也较繁琐，当任一环节出现异常时，都有直接影响到换流阀的正常工作。下面对其在运行中常出现的一些故障进行介绍。

2.1 冷却水渗漏或泄漏

在整个水冷系统中，在法兰、阀门、电极、传感器、主循环泵轴承等管道连接或设备安装部位大量使用密封垫来保证密封。在长期的运行过程中，由于密封垫老化、安装位置偏移、紧固螺丝的松动等原因，这些部位最容易出现内冷水的渗漏，当渗漏比较严重时甚至可以引起泄漏保护动作，造成运行极闭锁〔6〕。

2006年广州站先后发生因均压电极垫圈腐蚀和均压电抗垫圈腐蚀导致的系统漏水事故，分别引发极Ⅰ阀塔漏水告警和极Ⅱ阀塔漏水告警。

2007年葛洲坝站因极Ⅱ内冷水系统主泵轴承损坏，致使陶瓷密封圈破裂而漏水导致直流闭锁。

2008年灵宝站因LLT阀A相电抗器冷却水管接头处振动松脱漏水，造成膨胀罐液位急剧下降引起保护动作直流闭锁。

另外，鹅城站极Ⅰ也曾发生过因Y/Y C相阀塔顶部内冷水水管法兰处螺丝振动松动，致使弹簧垫圈松动漏水造成直流停运事故。

反措或建议:1)换流阀安装期间，水系统各管道接头处应用力矩扳手紧固，并做好标记，各水管安装完毕后要进行冷却水管道压力或检漏试验，及时修复漏水点。2)在水系统运行中要加强对重点设备的巡检，按固定时间定期记录内冷水的水位，做好阀门的紧固检查和橡胶垫的定期更换。3)检修期间应对内冷水系统水管进行检查，发现水管接头松动、磨损、渗漏等异常要及时分析处理。

2.2 重要设备供电隐患

换流阀水冷系统中对供电要求最高的主要是主循环泵、喷淋泵，当这些设备的供电出现问题时，内冷水的流量将会由于主泵工作异常而降低，或者内冷水的温度由于喷淋泵的停运而快速升高，从而对直流系统的运行带来危险〔7〕。

2002年，天生桥站在1台喷淋泵失去电源后，备用泵未能及时切换并启动，造成内冷水温度升高极Ⅱ停运。

2005年，政平站因控制保护系统ACP71/72自动切换失败，站用电全部丢失，导致阀内冷水主循环泵停运，内冷水流量低保护动作，造成双极直流系统闭锁。

2006年，灵宝站LTT阀水冷系统2台主泵电机在定期自动切换过程中，由于主泵电源空气开关过载定值与主泵启动电流设置不匹配，致使2台主泵先后过载跳闸，造成内冷水系统停运，直流系统闭锁。

2007年，宜都站极Ⅰ内冷水1号主泵因变频器故障导致电机失电，随后切换到2号主泵运行。后续由于2号主泵报过热故障，造成极Ⅰ流量保护动作跳闸，极Ⅰ闭锁。

反措或建议:1)对于主泵电机等重要驱动设备，必须严格执行两路不同母线电源供电方式，同时还可考虑另加大容量UPS作为备用电源。当双路进线均失电时，迅速转为UPS供电，直至电源恢复。2)对各段电源或设备自动投切装置要定期进行检查和试验，保证切换配合时间、开关灵敏度、定值设置等满足阀冷系统的运行要求。3)对采用变频器驱动的设备，由于变频器的长期在线运行故障几率高，直接影响到电机的可靠运行，这种情况要及时将变频器替换为软启动器来控制各电机的启停。

2.3 外冷水系统结垢

源水经过软化、反渗透等处理成为合格的外冷水后，加入冷却塔内对内冷水进行冷却。但是当反渗透膜堵塞、反渗透膜管中气体含量超标、软化罐中离子交换树脂失效，或者源水的水质较差、浑浊度较高时，处理后的外冷水中钙、镁等离子含量将会超标，长期使用会在冷却塔冷却片、喷淋头等处结成很厚的水垢，降低对内冷水的冷却效果〔8〕。

葛洲坝、楚雄、龙泉、江陵等换流站都曾出现过因源水硬度、碱度、盐类含量超标，导致外冷水处理困难，反渗透膜损坏，使得冷却器管外表面结垢或喷淋头部分堵塞，降低了外冷水的冷却效率，最终导致换流阀温度过热超标。

反措或建议:1)换流站方面要尽量采用水质较好的源水，在源水使用前可采取除盐、除钙、添加化学药品等措施对其预处理，提高源水的品质。2)可考虑在喷淋水系统处安装硬度检测探头，当检测到的喷淋水硬度过高时，相应的通过排污换水加大弃水量来降低喷淋水硬度。3)运行人员要加强对外冷水系统特别是反渗透膜和喷淋塔的巡视力度，发现反渗透膜失效和喷淋塔结垢情况要及时组织人员进行处理。

2.4 传感器监测参数失真

水温、水压、流量、水位等传感器的使用，为水冷系统的监测提供了便利。但是在运行中，若传感器精度降低或损坏、接线端子松动、底座安装不牢或者环境电磁干扰严重，可能会使实际值与监测值之间存在较大的误差，造成保护误报警或误动作。

2004年高坡站因雷电击中阀厅附近避雷针，造成膨胀水箱水位传感器工作不稳定而误判水位偏低，导致极Ⅱ停运。

2007年南桥站因极Ⅰ内冷水某分支流量计长期因振动干扰影响而误报流量低，导致极I闭锁。

2009年肇庆站极Ⅱ外冷水池水位传感器元件因工作不稳定，误发水位低信号，造成所有喷淋泵停运，导致极Ⅱ内冷水温度迅速升高而启动停运。

反措或建议:1)定期对传感器及其附属部件如接线盒、屏蔽线缆等进行检查和校验，对有问题者及时更换或修复。2)对作用于跳闸的传感器要按照3套独立冗余的原则配置，且每个系统在保护上要对传感器采集量按照 “三取二”原则出口。3)各传感器电源应由两套电源同时供电，任一电源失电应不影响传感器的稳定运行。

2.5 气泡含量超标导致水压失稳

循环内冷水主要通过进水管喷射进入不同电位的换流阀组件冷却室对元件进行冷却，但是当水中含有大量的气泡时，气泡受到高压压缩会产生崩溃，在局部产生非常高的冲击压力，使管道产生振动和噪声，严重时使阀塔顶部的压力传感器检测到的内冷水压力偏离整定值而闭锁直流系统〔9〕。

2006年天广直流大修工作结束后重新投运阀冷系统后，发现冷却水中有大量气泡，而系统配置的14个排气阀门无法完全将气体排出，导致内冷水管道压力不稳，最终不得不强迫停运高压直流系统进行处理。

反措或建议:1)定期检查和更换密封件，减少因密封件腐蚀引起的内冷水进气，同时定期对内冷水开展采样检测，监测内冷水的饱和溶解度、酸碱度等参数，若有异常立即处理。2)在管道系统气体易聚集处增设排气阀，加快水中气体外排速度，或者改进排气阀与主管道的连接结构，提高排气能力。

2.6 逻辑保护存在缺陷

阀冷系统在运行中设有大量复杂的各类保护，各保护涉及到的传感器和表计较多，所采用的状态量也很繁琐，在设计或安装过程中如存在参数设置不合理，逻辑关系混淆、动作判据有误等问题，将会直接影响阀冷系统的正常工作〔10〕。

2002年天生桥站因极Ⅱ极控系统软件设计缺陷，误发停运阀水冷却系统的命令，阀水冷却系统停运后，极Ⅱ随即停运。

2010年兴仁换流站由于阀冷控制保护逻辑设计缺陷，当部分传感器供电开关跳开并重新试合时，相应极的极控系统收到阀冷外部保护跳闸信号，导致直流系统强迫停运。

反措或建议:1)要加大对各保护逻辑的排查，利用各种停电机会对各保护进行传动检查和升级改造，确保各保护动作报警值符合阀冷实际运行情况。2)为每套控制和保护系统实施双重化甚至三重化配置，每套配置包括独立的硬件电路和功能软件，在保护功能出口逻辑上采用 “三取二”原则，在控制系统中设置测量值异常监视功能等。

2.7 其他故障

另外，阀冷系统的其他常见故障还包括驱动电机皮带老化、喷淋水系统结冰、保护装置拒动或勿动等、工作电源谐波严重等。

3 结语

阀冷系统作为换流站的重要组成部分，它的性能直接决定着直流系统的安全，必须引起足够的重视。目前阀冷系统技术发展已比较成熟，运维经验也愈为丰富，因此对各类缺陷的发生应以预防为主，尤其是注重按照反事故措施的要求开展阀冷系统的隐患排查工作，提前根据系统特点制定相应的事故防范措施，特别要注意冷却水流量低、内冷水泄漏、冷却塔腐蚀等常发问题，确保直流输电系统安全稳定运行。

〔1〕赵畹君.高压直流输电工程技术 〔M〕.北京:中国电力出版社，2002.

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〔3〕杨振宇，俞澄一.超高压直流输电换流站阀冷却系统的故障分析 〔J〕.华东电力，38(3):369-272.

〔4〕刘辉.换流站换流阀冷却系统的选型研究 〔J〕.吉林电力，2012(1):30-32.

〔5〕陶瑜，龙英，韩伟.高压直流输电控制保护技术的发展与现状 〔J〕.高电压技术，2004，30(11):8-10.

〔6〕倪汝冰，李锋锋.阀冷却系统分析及改进措施 〔J〕.电力技术，2007，28(12):21-24.

〔7〕陈晴，周志超.±800 kV特高压换流站交流电源系统的优化设计 〔J〕.电力建设，2012，33(4):43-45.

〔8〕王远游，郝志杰，林睿.天广直流工程换流阀冷却系统腐蚀与沉积 〔J〕.高电压技术，2006，32(9):80-83.

〔9〕孙恒明，邓本飞，曹继丰.高压直流换流阀内冷水系统气泡导致水压失稳研究 〔J〕.电力设备，8(9):24-26.

〔10〕陶瑜，龙英，韩伟.高压直流输电控制保护技术发展的探讨〔J〕.电力建设，2008(1):17-21.

Analysis and Countermeasure of the Water Cooling System Fault for HV DC Converter Valve

YAN Ying，YAN Guilin，HAO Jianbo
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

Valve cooling system is the major auxiliary system in HV DC converter station and it plays an important role in the normal operation of the converter valve.Taking the widely used water cooling system as an example，combining with some DC system operation failures caused by valve-cooling system exception，it concludes some typical defect types.Meanwhile，the corresponding preventive measures are given as references to enhance the operation reliability of the valve cooling system.

converter station；valve-cooling system；fault analysis；preventive measures

TM721.1

B

1008-0198(2017)04-0056-03

闫迎(1985)，男，硕士，工程师，主要研究方向为电力设备故障诊断与处理。

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.04.016

2017-02-15 改回日期:2017-04-24