换流阀水冷系统故障统计及原因分析

刘德庆，何 潇，郭新良，张胜寒*，何 宽

(1.华北电力大学 环境科学与工程系，河北 保定 071000；2.云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 650000)

随着电力行业的快速发展，电力传输技术的发展步伐也明显加快，提高电力传输能力的办法不断涌现，其中，高压直流输电工程是优化电力传输的重要举措之一。换流阀在高压直流输电系统中起重要作用[1]，保障其安全运行是高压直流输电的关键。换流站的阀冷系统是一种专门设计的循环冷却水系统，是换流阀系统的重要组成部分，达到给晶阀管等元件降温的作用[2]。

经过文献调查发现，关于换流站阀冷系统运行故障方面的研究已有很多，但每篇文献往往仅局限于某个换流站或某几个换流站，得出的结论对全国范围内的换流站来说适用性不大，因此，有必要对全国范围内阀冷系统故障案例做一个统计分析。通过对文献数据库中文献进行数据挖掘，分析造成阀冷系统故障原因，对阀冷系统故障的预防及解决起到指导作用，对换流站综合考虑阀冷系统运行状况具有一定的参考价值。

1 阀冷系统运行故障原因分析

阀水冷却系统的结构复杂，任何一个环节出现故障，都会影响换流阀的正常运行。造成阀冷系统运行故障的原因众多，经统计大致分为以下几类：设备故障、水路问题、设计缺陷、监控系统故障、供电隐患、自然因素、人为因素等。

1.1 设备故障

该方面主要包括了主循环泵故障、变频器故障、传感器故障、电源故障和继电器故障等。现对几个故障点进行介绍。

1.1.1 主循环泵故障

主循环泵是内冷水系统重要的运行设备，保证冷却介质的恒定压力和持续流量。换流阀水冷系统主泵的轴封结构复杂，制造安装精度要求高，使用不当会出现磨损严重、使用寿命短等问题。主泵故障主要表现在异常振动、轴封破损和输送流量低三个方面[3-5]。引起异常振动的原因有不平衡、轴心偏移、主轴弯曲、基座松动、润滑油振荡和转轴摩擦等。天山换流站曾多次发生轴封更换后初次启动即破裂的情况，为安装误差或者轻度倾斜不能控制压紧力所致。复龙换流站极Ⅰ高端曾因阀冷主泵流量低跳闸导致强迫停运。

1.1.2 变频器故障

变频器是用于需要调速的地方，其输出时不但改变电压，而且同时改变频率[6]。变频器启动方式易受外部电压影响，对于恒定频率和负荷的设备较为不适合。换流站阀水冷主循环泵启动方式采用变频器控制时，变频器发生故障时，只能切换至备用变频器启动回路，若同时故障，将导致主循环泵停运。2007年,宜都站极Ⅰ内冷水1号主泵因变频器故障，导致流量保护动作。

1.1.3 传感器故障

阀冷系统的传感器主要包括流量传感器、水位传感器、温度传感器、压力传感器等。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[7]。当传感器故障引起流量、水位、温度和管道压力测量值异常，超出阀冷定值时，将导致阀组跳闸，影响直流功率输送[8-9]。2012年12月05日01时23分，穗东换流站极Ⅱ高端阀组因内冷水流量低跳闸，事后检查发现实为流量传感器故障引起的误动。

1.1.4 电源故障

宜都站2007年5月31日极I内冷水两台主泵电源故障导致闭锁[10]。龙泉站曾发生极Ⅱ内冷水MCC盘柜的2号循环泵电源开关A相出线插槽和触头烧坏。

1.1.5 继电器故障

1991年9月12日,南桥站发生直流输电快速停运的事件。在查找原因时发现，由于外技人员的接线错误，导致继电器吸合不上，造成内冷水电导率测量元件失电，而误发内冷水电导率高信号[11]。

1.2 水路问题

在水路循环过程中，发生管道堵塞、漏水、残存气体、水位变化异常等现象的频率较高，这严重影响了阀冷系统的正常运行。

腐蚀结垢是阀冷系统的主要故障之一，而且这种结垢堵塞对于换流阀的安全运行影响很大。通过实际运行的换流站可知，腐蚀结垢通常发生在均压电极、传感器、过滤器、水管接头、可控硅散热器等部位[12-18]。若垢样脱落在内冷水系统中，就会造成水路系统堵塞，水流不畅，降低内冷水效率，严重的可烧毁电气元件，甚至引发火灾[19-20]。

均压电极的电流密度达到某个定值就会生成臭氧，臭氧环境会导致 EPDM 橡胶材质的密封圈被溶解腐蚀[21]。腐蚀后的密封圈失去密封作用，极易造成内冷水泄漏，严重时会导致直流系统停运。

在一些运行情况下,内冷水运行时会产生大量气泡,当气泡被带到下游高压部位后,周围的高压会使气泡绝热压缩,迅速崩溃,局部可达到非常高的温度和冲击压力,使液压装置产生振动和噪声,使金属表面受腐蚀。气泡在上游位置因排气阀门不足而导致局部气体滞留,致使阀塔顶部压力传感器检查到内冷水压力低于整定值而闭锁直流系统[22]。

天广直流系统于2005年5月开始频繁发生换流阀元件损毁和漏水故障。在2006年大修期间，检查发现，原有的14个排气阀不足以排放多余的空气，造成内冷水压力低，导致系统停运。

2001年，葛南直流系统，曾出现极1离子罐更换树脂后．从膨胀水箱放水注入离子罐，由于注入水量连续过大，膨胀水箱水位下降速率超过定值．引发漏水报警动作跳闸[23]。

1.3 设计缺陷

该方面主要包括自切回路设计逻辑不合理、泵房设计不合理等[24-26]。

主泵主备切换逻辑不合理，会影响当运行主泵出现异常需要切换到备用主泵时，通过手动旋钮会固定在备用主泵，此时主泵失去冗余性，风险较大，严重时可能引起直流系统闭锁。2002年6月13日，天生桥换流站极Ⅱ阀冷系统在1台喷淋泵失去电源后，备用泵未能及时切换并启动，内冷水温度迅速上升，从而导致极Ⅱ跳闸。

继电器的自切回路设计也会影响换流阀水冷却系统的运行。1990年南桥站在定期切换站用电时，水冷却系统切换失败。经分析发现，原设计的继电器会出现K2、K5两路供电电源同时接通瞬间。由于这两路电源电压存在相角差,因此会产生很大的环路电流,从而导致两路供电电源同时跳闸,系统停运。

泵房在设计时，应注意所处地势，尽量建在较高处。1997年8月7日0时35分，葛洲坝换流站极Ⅱ喷淋泵房进水，极Ⅱ被迫停运两天。检查发现潜水泵定子线圈被烧坏。经分析后认为，水泵房设计时，地面偏低，墙接角处密封不好，遇大雨时会有大量雨水涌入泵房，很容易造成积水。

1.4 监控系统故障

阀水冷监控系统实现对内冷水与外冷水系统的监视与控制，同时完成与对应的极控系统信息的交互。各直流输电系统中，阀水冷监控系统主要通过冗余配置的可编程控制器(天广及高肇直流输电系统中采用SIMATIC S5系统、兴安及云广直流输电系统中采用SIMATIC S7系统)实现，主系统故障时将自动、快速、平滑的切换至备用系统，两套系统均故障则启动直流输电系统强迫停运[25]。

监控系统参数的设置应与相关设备的实际运行情况相结合，设置合适的参数以保证阀冷系统的正常运行[27-28]。

2004年9月，天广直流极Ⅱ阀水冷控制系统SIMAllC S5装置工作性能不稳定。抗干扰性能差，两套系统在短时间内先后故障，导致极Ⅱ停运。

2006年5月14日，天生桥站用电系统倒换过程中，极I主泵切换不成功，冷却水管道内残留有空气，水压不能正常建立，导致极I跳闸。经调查发现，主泵切换时主水压力建压时间设置偏短(目前设置值为1s)，在某种情况(内冷水内含有空气时)下，可能出现水压低造成主泵切换失败，造成2台主泵停运，从而直流闭锁。

2009年8月15日，高岭背靠背换流站极I因水冷设备厂家给定的阀冷却系统泄漏保护定值不当(过于灵敏)且未及时发现，在环境温度变化导致膨胀水箱液面高度变化超过定值情况下，阀泄漏保护误动，造成极I闭锁。

1.5 供电隐患

供电隐患多为站用电电压波动或变电站断电所造成的。换流阀水冷系统的正常运行，需要平稳安全的持续供电。当站用电电压波动或变电站断电造成设备供电出现问题时，会导致主泵工作异常、冷却性能下降、水温急速升高等问题，造成系统停运。

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4月9日，鹅城换流站双极直流水冷系统主水流量低保护跳闸。原因为义和220kV变电站全站失电，导致埔田、湖镇变电站全站失电、站用电全部丢失[29]。

2009年8月16日，宜都换流站站用电电源电压波动，极II外冷水喷淋泵、冷却风扇电源失电全停，造成阀冷却系统进水温度高保护动作跳闸，极II闭锁。

1.6 自然因素

自然因素如地震、冰灾、雷击、暴雨等，很可能造成停运。

2008年6月13日，宝安换流站所在地区普降暴雨。同时引发的山洪，倒灌进双极阀冷系统的外冷水泵坑，进而淹没了喷淋泵，引起喷淋泵相继停运，造成双极阀冷系统的内冷水温度不断升高，最终导致双极相继跳闸[30]。

外界气温的变化也有可能造成停运。在冬季，直流系统长期停运时，水冷温度较低，内冷水系统通过旁通回路运行，室外的冷却塔管道中的水温很低。当室外环境温度上升或直流系统刚解锁时，水冷温度升高，由旁通回路运行改为经过冷却塔循环运行，内外水温的突变将会导致水位急速下降，导致泄漏保护动作引起单极闭锁[31]。2008年1月龙泉站，由于水温突变造成水位异常，导致极I极Ⅱ相继引发泄露保护动作。

1.7 人为因素

换流阀水冷系统中，参数的设置、设备的维护、水路状态的调节等都需要工作人员的正常操作，而工作人员的疏忽可能会造成严重的后果。

2001年8月22日，继电保护人员在校验南桥站时误投压板，造成交流失电，使得主水泵切换，13s后水冷控制系统误发漏水信号,双极同时停运。

2 换流站阀冷系统故障统计与分析

通过文献数据库，研究了1990～2018年期间，200余篇已发表的国内文献中关于国内换流站的故障事件，确定阀冷却系统引起的故障事件66次。并对故障事件按照故障原因、发生年代等进行分类总结。

对国内换流阀冷却水系统故障按照三个年代统计，结果如图1所示。

图1 换流站阀冷系统故障年份统计图

对2000年以前，阀冷系统故障原因统计并细分后，结果如图2显示。

图2 2000年之前阀冷系统故障原因统计图

从图1和图2中可知，在 2000 年之前，阀冷系统故障发生的次数不多，原因是 2000 年之前进入投产的换流站不多，有南桥站和葛洲坝站等。在水路缺陷上引起的故障较多，主要包括腐蚀结垢、堵塞现象等。此外，这一时期，换流站运行较少，换流阀的设计还有待完善，一些问题还集中在设计换流阀上。

对2001到2010年之间，对阀冷系统故障统计并细分后，结果如图3显示。

图3 2001到2010年之间阀冷系统故障原因统计图

从图1和图3中可以看出，在 2001年到2010 年期间，国内换流阀阀冷系统故障发生较为频繁，其主要原因是在这10年中，新建的换流站陆续投产工作，其中有南桥站、天生桥站、鹅城站、广州站、灵宝站、龙泉站、宝安站、高肇站、宣都站、葛洲坝站和复龙站等，新建的换流阀逐渐增多。随着这些换流站的投入运行，换流阀的故障也频繁发生，许多问题也暴露出来。水路缺陷和设备故障占了相当大的比例，表明这两个方面仍然是换流阀故障的主要隐患。供电隐患的比例增大，表明随着国家用电量的增加，换流站对电网的稳定性的需求加大。

对2010年之后，阀冷系统故障统计并细分后，结果如图4显示。

图4 2010之后阀冷系统故障原因统计图

2011年之后，由于距今时间较短，在国内换流阀阀冷系统中的发生的故障次数较少，这说明随着换流阀的故障越来越受到重视，各种解决方案也随之起到一定的作用，故障发生次数减少。在此期间主要发生故障的换流站有兴仁站、龙泉站、穗东站、德阳站、中州站和金华站等。其主要的故障类型为水路系统的设备故障、水路缺陷和供电隐患，这说明设备的维护、水路系统的不完善以及电网的稳定性仍然是亟需解决的主要问题。

3 结语

(1)换流站阀冷系统的安全可靠直接关系到换流站的运行安全，而阀冷系统的监督检测和运行保护是系统安全可靠运行的重要措施。

(2)换流站阀冷系统普遍存在一些薄弱环节，详细分析了阀冷系统的故障原因，主要包括设备故障、水路缺陷、设计缺陷、监控系统故障、供电隐患、自然因素、人为因素等。

(3)对故障事件按照故障原因、发生年代等进行分类总结，发现2001-2010年期间，阀冷系统故障发生较为频繁。水路缺陷和设备故障占了阀冷系统故障原因相当大的比例，表明这两个方面是阀冷系统故障的主要隐患。