换流阀PVDF冷却水管损伤漏水事故原因分析

聂阳阳，周文青，赵一枫，范星辉，吕茵，王慧泉，刘刚

(1.华南理工大学 电力学院，广东 广州 510641；2.广东省绿色能源技术重点实验室，广东 广州510641；3.中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局，广东 广州 510507)

随着大范围能源优化配置、大规模可再生能源发电并网等需求的扩大，直流输电工程正得到快速发展和广泛应用[1-2]。换流阀作为直流输电的核心部件，在运行过程中会产生大量热量，因此冷却系统是其稳定运行的关键环节之一[3]。目前投运使用的换流站冷却系统多采用水冷方式，承载去离子水的管道盘旋穿插在换流阀塔中。为钳制水管内去离子水的电位差，防止金属材质的散热片被腐蚀，水管上会均匀加装均压电极以转移腐蚀，各均压电极与临近母线板具有电气连接[4]。南方电网已投运直流工程中的换流阀冷却水管均压电极与母线板的电气连接方式有2种：一种使用的是均压电极引线，另一种使用的是导电杆。相较于导电杆，均压电极引线结构设计简单，便于安装施工；然而，由于其易于变形，在冷却系统的运行过程中存在贴近冷却水管表面的情况。均压电极引线连接着母线板，带有高电位，存在安全隐患。考虑到水管所处电场环境的复杂性，换流阀厂家选择了绝缘性能优越、理化性能稳定的聚偏氟乙烯(poly vinylidene fluoride，PVDF)作为水管材料[5]。但随着输电电压等级提高，冷却水管所处的电场环境愈发复杂，PVDF材料内部结构在长期运行的过程中会产生变化，甚至造成宏观损伤，引发停电事故。

2015年南方电网某换流站发生了一起换流阀停运检修事故[6]，现场检查发现事故段有一均压电极引线接触附近冷却水管，水管厚度约为3.5 mm，表面出现30 mm(长)×4 mm(宽)大小的损伤凹痕，已发生破损而漏水。水滴落在阀片上的阀电压检测(thyristor voltage monitoring，TVM)板上导致无信号传回，在停电十几小时后更换水管和TVM板，阀组解锁运行。目前对此类冷却水管漏水事故开展的研究较少，针对换流阀冷却系统的研究主要集中在均压电极结垢、金属散热器腐蚀、水管接头处漏水等问题上[7]，造成此类水管漏水事故原因仍然缺乏论证。根据检修记录，此类事故发生频率虽低，但是发生后发展迅速，影响附近设备的正常运行，水管内部水压降低处理不及时甚至导致内冷却系统瘫痪，严重威胁换流站的稳定运行。

在正常工况的一个换流周期内，损伤位置处均压电极带有40 kV以上的电势差，这意味着其连接的均压电极线带有高电位[8]。结合事故中均压电极线意外挨近冷却水管的情况，文献[9]通过实验研究了均压电极引线电流热效应对水管表面的作用，发现引线上的电流大小为毫安级别，排除了电流热效应的影响[9]。文献[10-12]对损伤水管附近电场环境进行了仿真分析，并开展了电晕放电的紫外光子成像实验，提出电晕放电造成水管损伤的可能性[10-12]。根据剧烈程度的不同，放电对水管表面的损伤可分为短时击穿(高场强下)和电晕老化(低场强下)。二者对水管造成损伤的主导因素不同，对材料内部的作用过程也有差异。短时击穿放电下材料表面会发生电痕破坏，放电热量在该过程中起着重要作用[13-14]。电晕老化对聚合物材料表面的作用过程是相对复杂的，需要考虑电晕中活性粒子(电子、光量子、活性氧原子等)的综合作用[15]。目前针对放电导致事故水管损伤的研究均是从放电现象这一角度入手；然而换流阀内电场环境错综复杂，直接从放电的角度研究水管损伤的过程极具挑战性且缺乏论证。以损伤水管本身为研究对象，从材料微观性质变化的角度对水管损伤原因开展研究更具可行性。因此，本文基于前述研究提出放电导致水管损伤的推断，以事故水管为研究对象，开展水管表面击穿放电和加速电晕老化试验。采用傅里叶红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR)、差示扫描量热法(differential scanning caborimetry，DSC)技术，分析事故试样和试验前后试样的内部基团和聚集态结构变化，得出事故水管损伤处试样具有特征性的微观参数。最后，通过对照事故试样与放电模拟试验中的试样的特征微观参数，推断出水管损伤的原因及机理。

1 试验

1.1 试样制备

试验采用一段发生事故损伤的旧水管和一段新水管作为研究对象，2段水管均为德国西门子公司的聚偏二氟乙烯(PVDF)材质换流阀冷却水管。试验用旧水管截取自事故损伤水管，如图1所示。取样水管运行已超过5 a，包含事故损伤部位，其余部分表面完整。

图1 水管损伤事故发生位置及损伤情况

1.2 模拟放电试验

针对短时击穿放电对PVDF水管表面的损伤，截取旧水管不含损伤处的一段进行放电击穿试验，如图2(a)所示，其中：1为电脑控制端；2为ZJC-100 kV电压击穿试验仪；3为试验用三角形电极，用作高压端，尖端与水管表面接触；4为弦长60 cm的实验水管试样；5为接地圆柱铜电极；6为装置外壁。试验使用电脑程序向高电压试验仪发送控制信号并且记录耐压时间、大小和波形。当电脑端发送加压信号后，高电压试验仪升压使导线带高压，在尖锐的高压端产生高场强，当电压增加到一定值时将在水管表面发生剧烈放电。设置电压幅值45 kV、电压上升速率1 kV/s、耐压时间为500 s进行多组试验，直至水管表面发生击穿。试验过程中，电弧在水管表面持续作用，水管表面不断被侵蚀，直至两极贯穿。试验结束后，观察到高压电极接触点附近生成1个碳黑区域并发生击穿，从该区域延伸出1条细长放电凹痕。凹痕处未观察到有碳痕，对放电凹痕取样，进行下一步微观测试。

针对电晕老化对PVDF水管表面的损伤，对换流站事故旧水管进行加速电晕老化试验。实验原理图如图2(b)所示，其中：4为试样，取自旧水管，大小为弦长3 cm、宽3 cm的拱形；6为金属板，用作接地极；7为实验装置外壁。高压端与接地端之间相距11 cm，支架高度为8.5 cm。设定耐压值30 kV、升压速率1 kV/s进行长期电晕老化试验，升压至30 kV时已经能听到明显的放电噪声，并闻到浓烈的臭氧气味。在试验达到1 000 h时，观察到水管表面已经出现沿着均压电极线方向的横向损伤痕迹，损伤呈不规则长条形。对水管表面取样，进行下一步分析。

图2 模拟放电试验原理图

1.3 理化测试试样名称及说明

在对各样品进行清洁与干燥处理后，使用FTIR和DSC技术进行表面微观参数测试。各试样名称及说明见表1。

表1 各试样名称及说明

1.4 理化测试

FTIR采用德国Bruker公司生产的VERTEX 70 红外光谱仪。实验以分辨率为4 cm-1、信噪比为55 000∶1的方式在波长范围500～4 000 cm-1内对各个试样进行扫描，然后通过OPUS软件分析获得光谱。

DSC型号为德国NETZSCH公司的DSC 214，测试时设定为氮气气氛，通气速率为40 ml/min，温度改变速率设定为10 ℃/min。根据查阅资料得到的PVDF材料熔点参数，设定温度变化范围为30～200 ℃，得到熔融曲线。

2 实验结果与分析

2.1 FTIR测试结果与分析

图3所示为新水管、旧水管和事故水管损伤处的FTIR图。

图3 新、旧和事故损伤水管的FTIR图

图4所示为已归一化的事故损伤、放电凹痕和电晕老化水管的FTIR图。

图4 事故损伤、放电凹痕和电晕老化水管的FTIR图

对于短时剧烈放电产生的凹痕处的试样，其乙烯基和羟基的振动峰强度没有明显上升，这是由于在短时强放电的作用下，水管表面发生了电痕破坏过程，损伤的主导因素是剧烈放电产生的热量。大量热量使分子链大量破坏，析出碳元素[14]。当氧气充足时，生成的碳会反应成为碳氧化物逸出材料表面，最终在材料表面形成细长的放电凹痕。因此，在放电凹痕形成过程中虽然也有大量分子链断裂，生成不饱和双键，但进一步的反应会将其消耗掉，乙烯基的振动强度不会明显上升。热量的作用还会使氢原子生成气体逸出，因此即使大量氧参与了反应，羟基振动强度也未明显增加。由此可以看出，事故水管表面损伤并非是短时剧烈放电造成的。

对于电晕老化水管试样，乙烯基和羟基的振动峰强度与事故水管损伤处相似，有明显上升。对于电晕放电来说，其对聚合物绝缘材料的老化形式有带电粒子的轰击和活性产物的作用[22]。从加速电晕老化水管试样的特征基团振动峰强度可以看出，加速电晕老化使得大量分子链在高能粒子的轰击下发生断裂，生成大量不饱和双键，不饱和乙烯基振动强度大幅上升。同时电晕活性物质(原子态的氧)也将大量的极性羟基引入链断中，羟基指数大幅增加。随着这些过程不断进行，水管表面的较长分子链逐步变成较短分子链，降解达到一定程度后，短分子链逸出，在表面形成损伤。

根据FTIR分析结果，乙烯基和羟基的振动峰强度明显上升，是事故水管损伤的微观特征之一，而加速电晕老化试样在基团变化上也具有这一特征，表明长时电晕老化是造成事故水管表面损伤的原因。

2.2 DSC测试结果与分析

对于PVDF这类半结晶型聚合物，其内部是由结晶相、非结晶相和中间相组成[23]。结晶相内分子链排列紧密有序，不利于氧的扩散，氧化降解反应多发生在分子链排列松散的非晶相内；因此乙烯基与羟基振动峰的强弱更多反映的是非晶相内的氧化降解情况。为了更加全面地研究事故水管损伤处的微观特征，采用DSC技术对各水管样品的结晶状况进行分析。图5、图6所示为新水管、旧水管、事故水管损伤处、放电凹痕和电晕老化水管的熔融曲线。其中：Tm为吸热峰峰值对应的温度，代表样品熔点；ΔHm为吸热峰面积，代表熔融焓。

图5 新、旧和事故损伤水管的DSC熔融曲线

图6 事故损伤、放电凹痕和电晕老化水管的DSC熔融曲线

为进一步分析晶体结构，需要得到各样品的结晶度Xc，

Xc=ΔHm/ΔH0.

(1)

式中：ΔH0为PVDF材料结晶度为100%时的熔融峰热焓，由文献[24]得ΔH0=104.5 J/g。根据结晶度计算公式，熔融曲线中各样品的相关数据见表2。

表2 DSC熔融曲线相关数据

结晶度的大小反映了结晶相在聚合物内部的占比，结晶相内分子链排列紧密，相较于非晶相，不易与外界因素反应而降解。因此对于半结晶聚合物而言，在外界因素作用下其结晶度的增大或减小能够有效反映整体的降解程度。由表2可以看出相较于新水管，自然老化的旧水管结晶度上升了9.76%，表明在环境因素的作用下，从结晶度的角度来分析，水管表面并未发生降解，相反可能出现了二次结晶现象。而事故中的水管损伤处结晶度相较于旧水管结晶度下降了15.49%，这说明事故损伤部位表面发生了明显的降解作用，其作用结果已经破坏了内部晶体结构。因此可以推断结晶度的大幅度下降是事故水管损伤的又一微观特征。

相较于旧水管试样，放电凹痕处试样的结晶度下降了5.4%，与事故水管损伤处相比，下降幅度较低。这与FTIR的结果类似，短时击穿放电产生的热量作用下水管表面发生了剧烈降解，这个过程发展很快，水管材料快速降解为气体并逸出。虽然在水管表面形成了凹痕，但晶体被破坏的部分并未大量残留，因此结晶度下降不明显。对于电晕老化试样，其结晶度较于旧水管下降了21.8%，具有事故水管损伤处结晶度大幅下降的特征。因此，从结晶度的角度分析，事故水管损伤是由长期电晕老化造成的。在电晕活性粒子的不断作用下，分子链的降解逐步从非晶区过渡到晶区，最终在长时间的作用下，被完全破坏的晶体结构会逸出水管表面，形成表面损伤。电晕作用过程相对缓慢且时间长，在造成损伤的同时，仍残留大量未被完全破坏的晶体结构，等待进一步降解。因此，长期电晕老化作用后水管的结晶度会大幅下降。

3 结论

本文针对一起换流阀PVDF材质冷却水管损伤漏水事故，从损伤的微观特征对事故原因及机理开展研究，基于提出的放电导致水管损伤的推断，对水管开展短时击穿与加速电晕老化试验，通过FTIR与DSC技术对新、旧、放电凹痕处、加速电晕老化和事故损伤处的水管表面微观参数进行测试，得出以下结论：

a)事故水管损伤处具有乙烯基和羟基的振动峰强度明显上升、结晶度大幅下降的微观特征；

b)短时击穿放电产生放电凹痕的降解过程过于剧烈，残留部分的特征微观参数未出现明显变化，事故水管损伤原因并非短时击穿放电；

c)加速电晕老化过程相对缓慢且时间长，在造成损伤的同时，会有大量未被完全降解的部分残留在水管表面，具有与事故水管损伤处一致的微观特征，因此可以推断出事故水管的损伤是由长期电晕老化造成的。