一起阀塔内冷水主水管漏水原因分析.pdf

176 EPEM 2023.7 下电力安全Power Security一起阀塔内冷水主水管漏水原因分析云南电网公司文山供电局 罗 佼 周丽花 邓跃祥 何兆略摘要：本文结合某换流站因阀冷主出水管与等电位弹簧相邻处摩擦放电灼伤漏水，导致换流阀无回检信号引发的一起非停事件进行分析，挖掘该项类型故障的共性问题，提出有针对性的运维建议和防范措施。关键词：换流阀；阀冷系统；主出水管；等电位弹簧；晶闸管换流阀冷系统是高压直流输电工程中最重要的辅助系统，由一套独立的密闭式内冷水系统、一套阀冷却用室外冷却系统组成，其将阀塔上换流阀设备运行功耗产生的热量通过内冷水交换到阀厅外，外冷却系统则主要负责对内冷水进行冷却，在内、外冷却系统的协调作用下，保证换流阀设备的温度运行在正常范围内。目前，在我国已经建成的换流站中，阀塔通常从阀厅顶部悬吊而下，所有模块（悬吊式绝缘子、母线、冷却水管）之间采用硅橡胶绝缘子进行连接，冷却水管和光纤从阀塔顶部敷设。一旦冷却水管出现渗漏，将直接导致换流阀设备出现异常，处理不及时极有可能造成直流停运并损坏设备。因此，换流阀内冷水管的特定位置一般会安装有铂制针形均压电极，均压电极之间通过等电位弹簧进行连接，从而使内冷水管与相应阀塔或阀层的电压分布保持一致1。系统内发生多起因均压电极结垢堵塞水管导致直流非计划停运的时间，但未发生因均压电极连接的等电位弹簧与水管摩擦放电导致漏水的情况。本文将对某换流站因极2阀厅 C 相阀塔顶部内冷水主水管漏水，引发该阀塔单阀组件晶闸管无回检信号，导致极2非计划停运的原因分析。找出主水管漏水原因，为同类型直流输电工程运维、检修提供参考，避免类似事件的发生，提高直流输电工程的运行可靠性。1 事件概况及主出水管漏水原因分析某换流站极2换流阀开始报 D2单阀 M1阀组件晶闸管10无回检信号，之后又陆续报出 D2单阀 M1阀组件晶闸管11、12，D2单阀 M3阀组件晶闸管11、12无回检信号。每个晶闸管报无回检信号持续时间在几分钟到几十分钟之间，未发生单个阀组件晶闸管无回检信号数量同时超过3个（冗余为4个），现场人员通过红外测温仪、摄像头、望远镜进行排查一直未找到故障点，直至次日发现单个阀组件晶闸管无回检信号数量为3个，且长时间无法复归后，运行人员紧急向总调申请降负荷并停运极2。当运行人员操作到热备用后，单个阀组件晶闸管无回检信号数量达到四个，极2因 D2单阀 M2阀组件晶闸管无回检信号数量大于最小允许值，导致故障停运。停电后，利用升降平台车对阀塔进行检查，发现极2换流阀 C1L 主出水管与等电位弹簧相邻处有漏水情况。漏水点较小，且漏水点在阀塔最顶层主出水管上，属于一个死角，运行人员无法观察到漏水点。同时，由于 D2单阀 M1阀组件位于四重阀最顶部，M3阀组件垂直位于 M1阀组件的下方，且故障晶闸管级分别为 M1组件的第10、11、12级与M3组件的第11、12级。因此，分析认为故障原因为 D2单阀 M1与 M3组件由于靠近漏水部位，有水滴泄漏至组件内部造成局部短路，影响晶闸管正常运行，从而报无回报。另外，因漏水量较小，水滴造成短路后，晶闸管报无回检信号，一段时间后水滴滴落，短路消失，晶闸管报无回检信号复归。但因主出水管一直持续漏水，晶闸管报无回检信号数量增加，且出现同一阀组件无回检信号晶闸管数量大于最小允许值，最终导致极2ESOF。1.1 主出水管与等电位弹簧的设计该换流站主出水管为聚偏氟乙烯 PVDF 材质，2023.7 下 EPEM 177电力安全Power Security等电位弹簧为不锈钢材料。等电位弹簧的两端固定在等电位连接杆上，等电位连接杆固定在主水管电极旁边的固定座上，等电位连接杆又通过导线，连接在均压电极上2。设计要求主出水管与等电位弹簧之间的安全距离不小于30mm。图1 主出水管与等电位弹簧的位置示意1.2 漏水原因分析换流阀阀塔在运行过程中，因正常运行产生的电动力使阀塔整体产生轻微振动。等电位弹簧由于本身的柔性结构，在这种振动的作用下发生不规则的摇摆，与主出水管的距离减小甚至接触摩擦；另一方面，因为等电位弹簧不规则的摇摆这也会引起区域内的电场变化，如果两者直接接触，将可能因放电灼蚀水管表面，在长时间的机械磨损和放电灼蚀的作用，水管会出现损伤漏水。最终阀冷水渗漏滴到换流阀设备上，引发短路使晶闸管无回检信号。当晶闸管无回检信号超过最小允许值，相应极ESOF。图2 阀塔振动对水管作用的示意图机械磨损分析。按照设计要求该换流站换流阀阀塔主出水管与等电位弹簧的安全距离为30mm，如果两者距离过近，在阀塔运行振动的作用下，主出水管与等电位弹簧长期接触摩擦，水管管壁逐渐磨损薄弱。现场检查发现极2阀厅 C 相换流阀左侧阀塔主出水管与等电位弹簧的距离测量为5mm，已远远低于设计要求的安全距离。现场实测如图3（左）所示。放电灼伤分析。等电位弹簧一端与0kV 直流母线相连，一端与水管上的均压电极相连，整体电位保持0kV，但与水管其他部位的电位并不一定相同（所在单阀闭锁的情况下）。在振动的作用下，当等电位弹簧距离主水管过近，二者可能因电位差产生放电，灼伤主水管表面。经现场停电更换漏水的主出水管后，对主出水管的漏水点进行仔细检查确认，可以明显看到主水管与等电位弹簧接触的地方表面有磨损及灼伤的痕迹，因此可以认为，在机械磨损和放电灼伤的共同作用下导致主出水管损伤出现漏水。图3 现场实测图（左）现场磨损图（右）1.3 主出水管与等电位弹簧电场仿真为进一步验证主水管与弹簧接触是否会导致放电，笔者对二者之间距离变化与电场分布的关系进行仿真。建立主出水管与等电位弹簧的仿真模型，具体如图4所示。其中，蓝色金属棒作为等电位弹簧的简易替代。当极2阀厅 C 相阀塔的 D5单阀导通、D2单阀闭锁时，第一层左侧电极接0kV 直流母线，其电位为0kV；水管上端与阀厅顶部同电位，也是0kV，水管下端与第一层阀组件的屏蔽同电位，为1/6 2（-204.77kV）=-48.26kV，其中204.77kV 为该换流站阀侧线电压，其余运行工况下的电压均低于此值。当主出水管与等电位弹簧距离为30mm 时，等电位弹簧的电场分布云图如图5（左）图所示，最大电场强度为0.51kV/mm，满足换流阀电场强度控制178 EPEM 2023.7 下电力安全Power Security值2kV/mm 的设计要求。当主出水管与等电位弹簧距离为0mm 时，二者直接接触在一起，仿真最大电场强度为4.11kV/mm。超过了换流阀电场强度控制值2kV/mm 的设计要求，且由于已大于空气击穿电场强度3kV/mm，因此该位置必定会产生电晕放电，进而损伤与之接触的主水管。仿真电场分布云图如图5（右）图所示。图4 主出水管与等电位弹簧的仿真模型图5 距离30mm 时（左）距离0mm 时（右）等电位弹簧电场分布云图借助仿真系统可明显看到在主出水管与等电位弹簧距离不满足设计的安全距离时，等电位弹簧周围的电场会发生变化，特别是在等电位弹簧与主出水管接触的时候，电场强度大于空气击穿电场强度。再结合该换流站极2阀厅 C 相阀塔的情况，换流阀设备在正常运行状态下，主出水管与等电位弹簧之间安全距离较小，阀厅换流阀设备运行振动使主出水管与等电位弹簧长时间接触等因素，导致等电位弹簧对主出水管进行放电并不断的进行摩擦，经过长时间的积累后，最终主出水管漏水导致极2非计划停运。2 运维建议及防范措施2.1 运维建议举一反三，全面排查系统内安装同类型设备的直流输电工程。检查阀塔所有主水管与等电位弹簧的距离，应满足设计的安装要求。现场可利用视频监控系统、望远镜等方式对阀厅阀塔换流阀均压电极连接线与 S 型水管之间间隙，针对间隙小于安全距离但未直接接触的换流站，结合预试定检进行排查调整，针对已经接触的换流站，应及时上报缺陷，向调度申请停运相应进行调整处理。使其满足设计规范要求；结合现场运行与检修人员日常阀厅设备巡视的工作经验，梳理阀厅设备巡视、阀内冷水漏水检测、巡视路线、工器具使用等要点，形成阀厅设备巡视标准，并固化于班组作业指导书。有针对性对均压电极连接线与 S 型水管间隙进行巡视。2.2 防范措施细化换流阀及阀冷设备作业要求。结合设备安装说明书及实际安装位置情况，对 S 型水管与均压电极连接线安装间隙进行明确，细化冷却水管管道外观检查要求，并本地化至班组作业指导书；结合预试定检工作，每年对换流阀设备与阀内冷水管进行排查，发现水管与设备安全距离不足的，立即进行调整，针对有水管表面磨损、放电和热老化现象，应立即对主水管进行更换；另外，结合现场后台晶闸管无回检信号的发送和复归情况，以及阀塔晶闸管的分布情况，可有效判断发晶闸管无回检信号是由漏水导致，经过该问题的分析研究，为后续其他直流工程遇到类似信号时，提高一个查找缺陷的方向。3 结语某换流站极2换流阀单阀组件陆续晶闸管报无回检信号，经现场排查确认，C 相阀塔第一层左侧主出水管漏水是导致无回报的原因。本文对主出水管漏水的原因进行了分析，确认了故障原因，认为是漏水点处等电位弹簧因与主出水管安全距离不满足要求，在换流阀设备运行振动作用下，接触并磨损主出水管表面，另外由于二者的电位不同，在接触时引起局部电场强度过大引发放电，造成主出水管进一步被灼伤，最终被摩擦灼伤漏水，导致极2非计划停运。同时，本文提出部分运维建议和防范措施，可防止该类型故障的发生，对高压直流输电工程的安全稳定运行有较大帮助。参考文献1梁秉岗,王晨星,等.换流阀内冷水系统均压电极结垢分布规律 J.南方电网技术,2021,8.2 付纪华,李庆宇,等.高压直流输电光触发换流阀塔均压电极除垢技术和工艺研究 J.陕西电力,2014,10.