一起换流站阀水冷系统故障问题分析及处理

刘 孝，钱逸磊，闫全全

（国网上海市电力公司检修公司，上海 200063）

高压直流输电（HVDC）技术因具有传输容量大、传输距离远、可跨区域输送电能等优势，成为输送电能的重要手段［1］。换流站作为直流输电工程的一个枢纽点，其安全稳定运行保证了整条线路的正常运作和电网供电的稳定性与可靠性［2］。阀水冷系统是换流站的重要组成部分。由于运行时间久、电气设备老化问题，阀水冷系统的运行可靠性会大大降低。通过对本次换流站阀水冷系统故障问题的分析，了解阀水冷控保的运行逻辑，可为以后直流控制保护问题的现场检修提供一些思路和方法。

1 阀水冷系统及阀水冷控制保护系统

1.1 阀水冷系统简介

1.1.1 内水冷和外水冷系统

阀水冷系统包括两部分：内水冷系统和外水冷系统。内水冷系统是一个封闭的循环回路，低温的冷却介质经由主泵加压后进入循环管道，经阀塔水管流入散热器中对阀体各元件进行降温，将元件产生的多余热量带走；外水冷系统是一个开放式的系统，其主要功能就是对内水冷系统中的冷却介质进行降温，使其温度降低到一定范围内再进入阀体内循环降温［3］。阀水冷系统的结构示意如图1 所示。

图1 阀水冷系统结构示意

1.1.2 阀水冷系统的主要设备

内水冷系统中的主要设备如下。

（1）主循环泵：为内冷水系统的循环提供动力，一般配备两台，一台运行，一台备用。

（2）加压泵：更换离子树脂或者系统发生泄漏，对系统进行补水时，需要用加压泵将水打入。

（3）除盐罐：内冷水从阀体出来有一小部分进入除盐罐（10%～15%）进行去离子操作，这是为了达到使循环系统中的冷却水具有高电阻率的目的。

（4）补水罐：当膨胀罐中水位过低时，需要启动补水回路对阀水冷系统进行补水。

（5）内冷水储存箱：储存内冷水。

外水冷系统中的主要设备如下。

（1）冷却塔：对内冷水中的散热管进行冷却。

（2）喷淋泵：为外冷水的循环提供动力，外冷水中的水被喷淋泵抽到冷却塔中对内冷水进行冷却，再回流到外冷水池中，一般冷却塔配两台喷淋泵，一台运行，一台备用。

其他设备：系统中还有大量的测量传感设备，如主泵进水和出水压力传感器、出阀和进阀温度传感器、内冷水电导率传感器、水流量计等，用来对系统进行实时监测。

1.2 阀水冷控制保护系统（CCP）

阀水冷控制保护系统是由CCP A、CCP B 两套冗余系统组成，每套控制保护系统又为双套配置CCP1 和CCP2，其中CCP1 为主保护，CCP2 为后备保护。极控系统（PCP）实时监测两个CCP系统的状态，如果监测到两个水冷控制保护系统都不在运行状态则进行闭锁直流操作［4］。阀水冷控制保护系统结构示意如图2 所示。

图2 阀水冷控制保护系统结构示意

阀水冷控制保护系统的主要功能是：进出水温保护、主流量保护、分支水流量保护、泄漏保护，主要对主水流量、进出水温度、分支流量、膨胀箱水位、主泵进出水压力、电导率等信号进行实时监测；同时也实现对主泵、冷却塔风扇、喷淋泵、补给水箱电磁阀等设备的控制［5］。阀水冷控制保护系统主要保护功能示意如图3 所示。

图3 阀水冷控制保护系统主要保护功能示意

2 故障分析

2.1 故障概况

2.1.1 故障等级与动作策略

直流控制与保护系统设置有三种故障等级报警：轻微、严重、紧急。

（1）轻微故障（一级）：设备外围部件有轻微异常，对正常执行控制功能无任何影响，但需要加强检测并及时处理。

（2）严重故障（二级）：设备本身有较大缺陷，但仍能继续执行相关控制功能，需要尽快处理。

（3）紧急故障（三级）：设备关键部件发生重大问题，已不能继续承担相关控制功能，需立即退出运行进行处理。

《国家电网公司防止直流换流站单、双极强迫停运二十一项反事故措施》规定了关于直流控制系统故障后动作策略的相关要求。

（1）若运行系统发生轻微故障，而另一系统处于备用状态且无任何故障时，则系统切换，切换后，轻微故障系统将处于备用状态，当新的运行系统发生更为严重的故障时，还可以切换回此时处于备用状态的系统；若运行系统发生轻微故障，备用系统也发生轻微故障时，系统不切换。

（2）若运行系统发生严重故障，而另一个系统处于备用状态时，则系统切换，切换后严重故障系统不进去备用状态；若运行系统发生严重故障，而另一系统不可用时，严重故障系统可继续运行。

（3）若运行系统发生紧急故障，而另一系统处于备用状态时，则系统切换，切换后紧急故障系统不进入备用状态；若运行系统发生严重故障，而另一系统不可用时，闭锁直流。

2.1.2 事故列表说明

某日，某换流站极一水冷系统发出ESOF 信号，控制保护执行紧急停运，跳开换流变进线开关，因极一未送功率，未发生功率损失。根据当时后台事件报文，从02∶10∶40∶882 至02∶13∶39∶422约3 min 的时间内水冷系统多次上报“主泵压差故障”，每次故障产生后会导致主泵切换。

2.2 问题分析

2.2.1 “主泵压差故障”判别

直流CCP 逻辑中关于“主泵压差故障”的逻辑处理方式为：当CCP 采集的主水管道进水侧压力和主水管道出水侧压力均在正常范围内（即主水管道进水侧压力在0～0.95 MPa、主水管道出水侧压力在0～1.50 MPa）时，若“主水管道进水侧压力-主水管道出水侧压力”＜0.2 MPa，则产生“主泵压差故障”报警，并进行主泵切换，若切换主泵后故障仍然存在，则继续进行主泵切换操作，直至故障消失［6］。从事故报文可以看到，该换流站极-水冷系统出现“主泵压差故障”时的切泵过程和上述逻辑关系一致。

2.2.2 “主循环水流量低”判别

直流CCP 逻辑中关于“主循环水流量低”的逻辑处理方式为：当主循环水流量低于0.8 倍额定流量时判别为流量偏低，延迟1 s 报“主循环水流量低 报警”；当主循环水流量低于0.6 倍额定流量时判别为流量超低，延迟1.5 s 左右进行主备系统切换，再延迟4 s 报“主循环水流量低 紧急”，同时向PCP 发送跳闸请求。

根据现场后台事故报文可知，在02∶13∶40∶388 报“主循环水流量低 报警”，延迟约1.5 s 后由于主循环水流量达到超低，水冷控制保护系统执行系统切换，再经过约4 s 后报“主循环水流量低紧急”并向PCP 发送了请求跳闸信号。整个过程与“主循环水流量低”逻辑关系一致。由后台报文信息可以看到，从02∶13∶40∶148 泵一退出运行到02∶13∶44∶420 泵一运行，4 s 内无主泵处于运行状态，在此过程中分别出现了“主循环水流量低 报警”“主循环水流量低 紧急”，故判断“主循环水流量低”跳闸是由两主泵均退出运行导致的。

2.2.3 RS8680 单板故障试验验证分析

经测试发现，该换流站CCPA柜+1.H8.14位置和+1.H13.10 位置两块RS8680 插件板卡故障，一块是板卡通道二测量数据偏低，另一块是板卡通道三测量数据偏低。通过搭建测试平台，依次测试板卡各通道的输入输出情况，验证结论［7］显示测试平台结构如图4 所示。

图4 测试平台及测试点示意

在板卡各通道分别输入0 mA 和10 mA 电流，测试HCPL7800 输入电压、HCPL7800 输出电压、输出至背板电压，进行数据对比得出结论。结点电压的测试数值如表1～4 所示。

表1 输入0 mA 时故障RS8680 板卡1 各测试点电压

表2 输入10 mA 时故障RS8680 板卡1 各测试点电压

表3 输入0 mA 时故障RS8680 板卡2 各测试点电压

表4 输入10 mA 时故障RS8680 板卡2 各测试点电压

从表1～4 可以看出，板卡1 的通道2、板卡2 的通道3 的HCPL7800 输出异常，与正常采样值相比均偏低，与现场故障现象一致，推测是两块板卡通道异常的隔离放大芯片HCPL7800 功能失效导致的。

2.2.4 其他可疑问题判别

由“主泵压差故障”逻辑判别结论可知，“主泵压差故障”只会导致主泵切换，并不会造成主泵全停，并且CCP 逻辑中关于主泵全停的逻辑关系只有2 种可能：远程停水；水冷系统泄漏。

在整个事件过程中，后台并未报上述两种故障信息。对主泵1 控制回路进行分析发现，主泵的控制指令是由+1.H13.3（RS853）开出5（主泵1开启）和开出6（主泵1 关闭）双节点控制+2.V23.X2ST2-2L 双线圈辅助继电器实现控制主泵启停的。因此也可能是双线圈辅助继电器频繁动作造成输出节点不稳定，从而导致输出节点打开而使得主泵1 短时间停运［8］。主泵1 控制回路示意如图5 所示。

图5 主泵1 控制回路示意

现场检修期间还发现计量主循环水流量的表计接线也存在一定的问题，应是水流量低时报警，而表计的报警状态与逻辑相反。

3 故障处理

3.1 “主泵压差故障”逻辑设置

当出现“主泵压差故障”时，应先尝试主备系统切换，如果切换后，新升为运行的主系统未出现故障报警，则水冷系统可以继续运行，如果新升为运行的主系统在运行中故障仍然存在，则继续进行主泵切换。若完成主泵切换后故障继续存在，则执行主泵回切，之后保持主泵运行状态，并闭锁“主泵压差故障”执行切泵的逻辑，直至故障完全消除后开放相应切换逻辑和功能，在此过程中不能影响其他切泵逻辑关系。

3.2 双线圈辅助继电器测试

主泵全停有可能是双线圈辅助继电器频繁动作造成的，故对水冷系统中的双线圈辅助继电器进行测试。在停电检修期间进行手动切换主泵试验，观察ST2-2L 双线圈辅助继电器输出节点是否出现异常打开的情况。经现场测试结果确认，双线圈辅助继电器工作状态正常，未出现异常现象，故排除这一故障可疑点。

3.3 RS8680 板卡问题处理

对RS8680 板卡进行试验测试，结果显示，是两块板卡通道异常的隔离放大芯片HCPL7800 功能失效，这是导致本次主泵停运的主要原因，为了验证这个故障原因，将故障板卡的隔离放大芯片HCPL7800 进行更换，在之前搭建的板卡测试平台上再次测试，测试数据显示一切正常，在停电检修期间对水冷系统配置的所有RS8680 板卡进行采样值测试，并对异常板卡进行更换。更换隔离放大芯片HCPL7800 后板卡各点电压测试数据如表5 所示。

表5 更换隔离放大芯片HCPL7800 后板卡测试各点电压

3.4 主循环水流量计量表更换

现场停电检修期间，发现水冷控制保护系统的主循环水流量计存在问题，更换新的流量计，并设置好各个参数。

4 讨论

（1）在水冷系统发生故障时，先切换控制系统还是主泵？一般情况下，一次系统出现问题的概率远远小于二次系统，切换系统的时间更快，切主泵的危害则更大一些，同时，先切主泵也可以用来验证CCP 发出的指令是不是正确的。

（2）“主泵压差故障”是一直执行切主泵的指令直到故障消失还是切换一次系统切换一次主泵后闭锁“主泵压差故障”执行指令逻辑？当出现“主泵压差故障”时，应该执行切主泵的指令，但如果切换后仍然存在故障继续切泵，会导致有一段时间两个主泵都不在运行状态，主循环水流量会降低跳闸，最终导致该极闭锁。为避免此现象，在切换完系统后若存在故障，则进行切主泵，如果切换主泵后故障仍然存在，则闭锁“主泵压差故障”执行切主泵的逻辑命令。

5 结语

通过本次故障检修和处理过程，对阀水冷系统的整体结构、设备组成、控制保护系统的结构和功能有了进一步了解，特别是水冷控制保护的故障判别逻辑，在故障处理过程中判断出可能导致故障产生的各种原因，将故障范围一步步缩小，直到最终定位。本次对换流站换流阀水冷系统的分析和判断有利于水冷系统和整个换流站更加安全稳定地运行，也为今后直流检修提供了一些现场检修的思路，提高特高压直流控保系统检修的效率和准确度。