换流阀阀塔漏水监测的现状分析及优化措施

李洋，谢伟锋，雷战斐，韩慧麟，赵庆杰

(国网宁夏电力有限公司检修公司，宁夏 银川 750011)

0 引 言

直流换流站是直流输电工程中直流系统和交流系统进行能量转换的场所，换流器就是实现交、直流转换的核心设备。换流器由换流阀和换流变压器组成，换流阀在运行时产生热量，温度持续上升会对其内部元件运行工况造成影响，因此在换流阀运行时需要对其进行有效降温。目前世界上的换流站对换流阀的降温多为水冷却方式，水冷却系统由多节PVDF、电抗器金属管水管连接组成，冷却水管接头较多。虽然水冷系统的冷却能力可以根据阀进水温度进行调节，但是正常工况下阀冷却系统的水温还是有较大波动的：一方面，直流换流阀内部的冷却水管大多为非金属水管，晶闸管之间连接的散热器是铝制材料，所以无法做到自然均匀散热；另一方面，直流换流阀的核心组件—晶闸管有交替通流(运行)和停止的过程，电流的变化产生热量导致水温变化[1]，且通过换流阀的电流不是恒定值，因此冷却水的温度相应也会出现巨大温差。由于冷却水管与散热器材料不同，膨胀系数不同，因此换流阀运行时水温变化也会加大换流阀冷却水管漏水的风险[2]，造成换流阀设备间放电等异常情况，影响直流系统运行安全，甚至会导致整个阀塔及相邻阀塔全部烧毁。

1 现状分析

目前，换流阀阀塔漏水监测方式有漏水检测装置、膨胀罐液位保护和微分泄漏保护监测机制。

1.1 漏水监测装置

换流阀漏水监测装置包括集漏装置和检漏装置。当冷却水发生泄漏时，泄漏的水流入底部屏蔽罩内，经集漏装置收集并流入漏水检测仪的翻斗。当翻斗储水槽水容积达到预定值后，重力作用使翻斗翻倒，同时带动翻转轴旋转。漏斗每翻1 次，翻转轴的通光孔与光通道错位，光通道被阻挡，算作1次漏水，在一定时间内记录不能返回的光脉冲数作为判断漏水级别(分为渗漏和泄漏)[3]的依据。整个光纤回路通道有两个，分别指示一级漏水报警和二级漏水报警。在水位计的侧壁有排水孔，排水孔位于一级报警水位高度处，换流阀少量漏水，高度达到一级报警水位时会触发一级报警。如果阀塔漏水严重，进水流量大于排水流量，水位计内水位会继续上升达到二级报警点， 触发二级报警[4]。一级漏水报警为一般报警，用于指示当前换流阀阀塔有漏水现象出现；二级漏水报警为严重故障，用于监测阀塔漏水流量。

此种监测方式存在两个问题：一是由于探头长期暴露在空气中，探头易聚集灰尘遮住反光平面镜，使得探头光缆发出的光无法反射，很容易造成误报或漏报漏水情况；二是该装置只能监测到阀塔设备及上方的漏水[5]，且漏水刚好汇集到屏蔽罩内，若漏水部位不在屏蔽罩上方，则检测不到漏水。

图1 漏水监测装置

1.2 膨胀罐(高位水箱)液位保护

膨胀罐液位保护设报警和跳闸。在阀冷设备运行时，膨胀罐中水视作内冷水系统的水位，控制系统通过监视膨胀罐中的液位变化来判断内冷水系统泄漏情况。膨胀罐液位测量低于32%时发报警，低于10%时发直流闭锁命令。膨胀罐装设的两套电容式液位传感器和1套磁翻板式液位传感器采用三取二原则出口。

由于膨胀罐中的液位表征的是内冷水系统的总水量，而膨胀罐中的液位下降到32%以下时系统发出预警，此时内冷水系统损失的水量已非常多；因此，膨胀罐液位保护对内冷水系统出现大量漏水时的监测效果显著，而对于渗水、少量漏水的监测及漏水点定位较难实现。

图2 膨胀罐液位保护原理

1.3 微分泄漏保护

换流阀冷却水系统在泄漏时会发出预警，补水泵则会进行相应水量的补充，若在设定时间内补水泵连续启动N次，则会发出泄漏报警。一方面，微分泄漏保护定值一般情况下根据运行经验来设置，存在很多不确定性[6]；另一方面，即使现场出现漏水现象，也不能被精准地定位到。

综上，现有应用较为广泛的换流阀阀塔漏水监测方式中，无论是采用漏水检测装置、膨胀罐液位，还是保护和微分泄漏保护，均不能有效地实时监测漏水和定位漏点[7]。

2 阀塔漏水监测定位的优化措施

为改善现有的换流阀阀塔漏水监测方式存在的不足，提出了阀冷系统水管接头处增加能够遇水变色的指示套管，阀塔屏蔽层增加能够遇水变色的试纸的辅助检测漏水的方法。

2.1 水管接头增加遇水变色指示套管

遇水变色指示套管为透明自卷密封管套，由透明的聚烯烃材质制成。管壁上沿轴向剖开有一道直线缺口，缺口两边的管壁和遇水变色材料层可相互搭接并密闭连接。此种热缩管一经加热超过70 ℃便可以与水管接头完成密封[8]，并且在阀塔高电压、冷却水高温环境下依然性能稳定，质量可靠。

如图3所示，透明护套管套共分为3层：内、外层由透明的聚烯烃材质制成，中间为遇水变色材料，其中内层透明材料上涂有耐高温强力胶并且护套上设有均匀的进水缝，透明护套的两侧边缘为密封设计。透明护套可以环绕粘贴在主水管的法兰、主管与支管的接头、支管与器件的接头等不规则形状需求处，操作简便，结构简单，实用性强。

图3 遇水变色指示套管

另外透明自卷密封管套高温密封后，被包围水管会被包裹在透明自卷密封管套形成的密闭空间内，使管套不受外围空间的潮气及其他位置渗漏的干扰[9]，达到精准监测管套覆盖处水管漏水的目的。

2.2 阀塔屏蔽层增加漏水检测变色纸

在阀塔屏蔽层及管道增加漏水检测变色纸，通过试纸变色可以确定是否发生漏水故障，并根据变色的位置确定漏水点的位置[10]，达到及时对阀塔漏水位置进行定位监测的目的。这种漏水检测变色纸包含4层结构(见图4)：第一层为显色层，第二层为覆盖在显色层上的染色层，第三层为印刷在染色层上的粘合剂层，第四层为底板层。显色层为具有吸水特性的木质材料或由棉与木组成的高分子复合材料制成的平面板，其作用为遇水后在其表面显示出染色层2中的染色剂的颜色。染色层为干性油墨或干式酸性染料，用红色干性油墨作为染色剂，在遇水时水分子会与油墨溶合，并在白色显色层上显示出油墨的颜色，达到显色的目的[11]，红色的油墨在白色的显色层上将会非常显眼，易于观察。粘合剂层为具有耐热性的硅橡胶基体压敏胶，使用时直接贴在阀塔上需要监测漏水的位置。底板层为拉辛纸，其与粘合剂层接触的一面涂有硅油，用于保护粘合剂层，使用时撕下底板层即可粘贴[12]。

图4 漏水检测变色纸

将漏水检测试纸贴在换流阀塔屏蔽层后，当阀塔内冷水管出现微量的漏水，滴在检测试纸上后油墨遇水变成透明，露出下面染色层试纸的颜色，可以非常灵敏地检测到阀塔漏水缺陷；同时根据试纸变色区域范围排查阀塔漏水点的位置，极大地缩短了漏水点查找的时间，为尽快处理阀塔漏水故障提供先决条件。

3 效果评价

1)当内冷水系统水管接头漏水时，遇水变色指示套管会出现明显变色并保持，运维人员可在泄露故障发生初期便可通过肉眼或摄像头及时辨识漏水位置，做到及时发现泄漏故障，为故障处理争取时间。

2)在换流阀阀塔底部铺满漏水检测变色纸，当阀塔出现漏水故障时，水流遇漏水检测变色纸马上变红[13]。运维人员巡视过程中通过检查纸张变色情况即可判断出是否出现阀塔漏水故障[13]。

3)漏水检测变色纸遇水后的显色过程为物理性变化，整个过程不产生任何气体，热量。白色面材对于颜色的显示更为明显[14]，易于运行人员在巡视过程中观测。

4)遇水变色试纸及指示套管安装和更换极为方便，遇水后显色极易被识别，且造价低廉，推广型强，可极大地提高阀塔漏水监测的工作效率，节约了维护时间和维护成本。

4 结 论

1)检修人员在设备停电期间对阀塔冷却水回路水管进行渗漏检查时，可对该变色纸及水管进行擦拭检查，若发生变色反应即可确认此处有漏水故障，相较于肉眼检查漏水点，这种方式的检查效率和准确性大大提高，有很强的实用性。

2)遇水变色试纸及指示套管采用了遇水变色材料和自卷密封技术，可用于冷却主水管的法兰及支管的接头，实现牢固密封的效果；另外由于变色为其物理特性，因此对阀厅设备的安全运行没有影响，具有很强的可靠性。

3)遇水变色试纸及指示套管的密封功能使遇水变色材料不受周围潮气影响而发生变色，保证了漏水监测的可靠性。

4)遇水变色试纸及指示套管补充了现有阀冷漏水监测手段存在的不足，能够清晰明确地显示出水管中或接头处的漏水点，极大地降低了换流阀阀塔漏水排查难度，且试纸及套管制作简单，安装方便、快捷，造价低廉，经济效益显著。