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直流系统换流阀常见故障及处理方法

湖北省电力公司检修公司交直流运检中心 刘 浔 戴 迪 饶洪林 成 川 艾 亮 吴 双

随着我国直流输电的快速发展，直流输电设备的国产化水平进一步提高。目前，±500kV常规直流输电工程已经基本上实现了国产化。结合换流站运行经验和目前阀控系统存在的缺陷与隐患以及直流设备运行过程中的几次重大事件，提出改进的建议，希望能够为国内换流阀设备的运行、维护提供参考依据。

高压直流；换流阀；阀控；故障

1　 引言

随着高压直流输电技术的快速发展和高压直流换流站的不断建设，国产化技术和设备得到了越来越广泛的应用，目前，核心技术的换流阀设备已经逐步实现了国产化。国家电网公司主要采用的是ABB公司的换流阀技术，如三常、三广、三上工程。在后期的直流工程，如宁东直流工程等，逐渐开始采用AREVA、SIMENS公司的换流阀技术。这几种换流阀技术基本已被国内厂家吸收和转换，现在新建工程基本生产已基本实现国产化。通过多年的运行经验发现原有设计的不足和缺陷，是保障直流换流站安全稳定运行的关键因素。

2　 换流阀设备故障情况分析

国内换流站使用换流阀均采用悬吊式阀塔和水冷却结构。每个阀塔有多个阀层组成，阀层内串连若干组晶闸管级。各厂家的换流阀结构、元件基本相似，有内部布局各有不同。有统计资料表明，换流阀设备故障率较低，年平均故障率为1.3次/年，需停电处理的故障率为0.21次/年。换流阀设备的停电故障多出现在新设备投运的前两年中，以后逐渐平稳，在运行超过10年后故障率会逐渐升高。部分设计失误或安装工艺问题，往往会造成换流阀闭锁，直流停运的严重后果。

根据运行情况，故障类型、故障原因统计如下图所示：

2.1 阀控设备故障分析

阀控设备是HVDC分层控制的主要核心之一。其主要目标是将极控系统的控制脉冲发生器产生的电控制脉冲（CP）转变为光的触发脉冲（FP）去触发单阀，实现整流或逆变功能。同时可以实现对阀体本运行状态的监视功能。出现的故障多为元件故障。

2．1．1 阀控装置异常

2005年6月，葛洲坝换流站极Ⅱ极控A系统检测到触发脉冲丢失系统切换到极控B，极控B也检测到触发脉冲丢失，触发脉冲异常保护启动跳闸命令，极Ⅱ直流系统闭锁。故障原因为南瑞继保生产的极控系统与阀控VBE系统接口装置RCS9515工作电源不稳定导致触发脉冲无法发送到VBE。

2．1．2 阀控通讯接口工作异常

宁东直流阀控信息送后台时需要通过RS232串口转为光纤，且通讯环节过多，接口各不相同。在调试时期发现运行过程中传送信号的扁平线受强磁场干扰出现误发信号的现象，给直流运行带来极大危害。

2011年7月，灵宝换流站后台报“单元Ⅱ单阀PSU单元（门极单元电源）故障达2个”报警。阀故障产生后，北京四方监控后台漏报了部分事件，导致无法对故障晶闸管进行准确定位，对单阀所有晶闸管进行测试后才找到故障点。

2．1．3 阀控单元设计缺陷

高岭换流站在隐患排查中发现，阀控单元VBE检查到换流阀存在报警事件时，需要现场运行人员按下插件上的故障确认按钮进行复位。不确认则系统仍判故障故障存在。当产生在不同位置的瞬时性故障数量达到系统跳闸条件时，VBE会发出跳闸命令。

2.2 阀本体设备故障分析

阀本体主要由串联的晶闸管级、光纤回路和冷却水回路组成。阀本体作为换流站核心设备，长期处在高压运行状态，当出现严重的故障时，需直流停电处理。阀本体本身造价高昂，占换流站总价的1/4，所以阀本体的稳定运行极为重要。

2．2．1 阀本体元件故障

2008年12月葛洲坝换流站极Ⅱ直流系统在额定功率运行过程中，极Ⅱ换流阀保护Y桥差动保护Ⅲ段动作，极Ⅱ直流系统闭锁。随后通过检查发现，极Ⅱ换流阀C相阀塔V22阀被整阀击穿，此外还有多个晶闸管被击穿损坏。该故障是由于晶闸管的老化（运行超过19年），晶闸管电耐压能力降低和漏电流增加造成的。

2．2．2 阀本体安装工艺不佳

2008年2月，灵宝换流站220kV侧LTT阀冷却系统膨胀罐液位超低保护动作跳闸，灵宝背靠背直流系统闭锁。检查发现220kV LTT阀第二层阀塔电抗器元件上小水管接口脱落。对更换下的小水管与正常水管对比分析，发现脱落水管上无明显卡痕，接头上双戒指卡箍安装时没有突出部分，接头无法卡紧。

2．2．3 阀体本内部放电

2008年江陵站对极Ⅱ阀塔进行常规检修试验时，发现阀塔内部光纤密封盒发现多根光纤外皮脱落，固定金属块和阻燃包上有明显放电痕迹。原因为光纤槽盒内阻燃包安放在槽盒固定金属块附近，在高压运行环境下两者之间出现了放电。

2．2．4 阀塔内水管漏水

2010年10月南桥换流站极Ⅰ换流阀D桥差动保护IV段动作。现场检查发现极1阀厅A相内冷水漏水，登上阀塔后检查发现极1 A相右侧阀塔第2层阳极电抗器水冷电阻水管接头断裂，该接头有明显受热熔化痕迹，水冷电阻支架有烧焦痕迹。

3　 换流阀设备常见故障检查处理方法

3.1 阀控设备故障处理

阀控设备的故障主要是元件故障和通讯接口故障造成的。这要求阀控系统本身要具备完善的自检能力。根据后台报文的内容准确定位，判断故障是出在阀控系统还是阀本体元件，处理时应注意阀控系统多数元件为单一配置，更换前应先申请停电，避免在工作过程中造成直流闭锁事故。

针对阀控设备的设计错误应按照隐患排查要求，早发现早治理。主要是针对阀控与极控不是同一技术路线的情况（如林枫直流工程和灵宝二期工程引入了AREVA的换流阀及控制系统，而极控系统是许继电气公司引进的Siemens技术），应全面检查极控、阀控、阀本体之间的接口设计和保护回路设计是否可靠、完整，是否满足两套冗余设计。

3.2 阀本体故障检查处理

阀本体故障主要是由于阀塔内元件故障或漏水、放电导致的严重故障。阀塔内元件冗余量较大，一般单阀内出现一个元件故障无需立即停电处理。主要是通过专用测试仪对单个晶闸管级进行正反耐压、保护功能测试来判断故障元件。

水管漏水主要是由于阀塔内振动过大或水管接口设计不合理造成的。应定期检查水管接头力矩，水管靠在构架上的应做好接触面的保护措施，减少振动和摩擦。而出现漏水现象时可能造成阀塔内部短路，击穿大量晶闸管，对阀本体造成极大的破坏。所以出现漏水后应及时停运，防止故障扩大。在对水回路进行检修时应考虑阀塔水管排水、排气、接口密封，阀塔元件防潮，冷却水电导率控制等问题。

放电现象主要是由于安装工艺不到位造成的。在大修期间应对电气接头和可能出现高压放电的金属部分进行检查。各类金属构架等应安装有等位线，以保证塔内电场分布均匀。在出现放电现象后阀厅内部的火灾报警系统应能快速报警。当极早期烟雾探测器与紫外探头同时动作时应能及时发出直流停运的指令，保证阀塔安全。阀塔内虽安装有防火板，内部均采用阻燃材料，但部分电器元件仍有放电起火的可能。在有较大的明火时应采用窒息法关闭阀厅空调和所有风挡。确认明火熄灭后方可打开大门，防止火焰复燃。

4　 换流阀及阀控制设备的改进建议

目前直流控制保护系统已经实现了国产化，南瑞继保、许继电气和北京四方公司均掌握了直流控制保护的核心技术。国内换流阀一般由西电集团、电科院、许继电气生产。不同技术路线的设备相互通讯与接口存在一些问题。同时不同厂家的换流阀在元件布局上有着较大的差异，也各有特点。在此提出几点建议，希望能对直流换流站的安全稳定运行和日常运行维护工作起到一定的作用。

4.1 阀控与极控硬件接口统一

目前在运的国产化设备，直流控制保护系统和阀控系统接口不统一，如灵宝、高岭背靠背换流站，直流控保与阀控系统的接口设备由许继电气、南瑞继保等直流控保厂家提供；而德宝直流工程中，则由直流控保厂家南瑞继保和阀控厂家中国西电集团分别生产各自的接口设备；宁东直流工程由许继电气提供接口设备。由于没有统一硬件生产标准和要求，涉及到多个厂家，出现问题之后对原因的查找和分析带来了较大的难度，为直流快速恢复运行带来了障碍。因此建议接口设备采用统一的接口和通信规约，减少信号传送的中间环节。

4.2 内冷水回路可靠

对于内冷水管设计应采用大管径，材料绝缘、耐高温。接头采用螺母设计，紧固力矩较大。各接头处设计密封圈和电极，起到良好的密封和水路电位平衡作用。

每月定期对GIS设备气室SF6气体压力进行检查，发现压力有下降趋势则对该气室进行密封性检查。密封性检查通常采用聚乙烯塑料布局部包扎积累法测定，气密性检查积累时间通常取24小时较为合适。还要结合经常检查SF6密度继电器指针位置来作为密封性的辅助检查。

4.3 阀本体、阀控设备元件质量过硬

部分厂家提供的硬件质量不合格。新投运的宁东直流工程、林枫直流工程以及灵宝背靠背二期工程，运行以来多次发现存在板卡虚焊、漏焊、电容漏液、针脚弯曲等现象。国内厂家提升元件质量是保证换流阀可靠运行的根本。在元件选材上一些厂家仍使用充油电容，当元件受冲击后可能出现放电起火、为阀塔的防火安全上带来隐患。建议采用绝缘、阻燃材料，保证设备安全。

4.4 阀塔本体、阀控设备设计改良

部分厂家在引进国外技术时未能较好的避免已有的设计缺陷，给稳定运行带来隐患。ALSTOM公司VBE设计上存在一个问题：如果VBE存在瞬时故障，需要人为手动进行复归才能使得VBE恢复正常运行。该设计理念为故障告警后需得到确认，以防止运行人员忽略。而实际上这种设计存在系统扰动导致引起直流系统闭锁的风险，建议取消报警保持功能。晶闸管触发板的设计上，多家公司采用裸露的电路板，积灰严重，抗电磁干扰差。建议采用金属封装方式，可大大提高元件的可靠性。在换流阀塔的设计上，部分厂家采用紧凑型设计，缩短了阀塔自身的高度，未设计防火挡板。但另一方面，由于空间比较狭小，设备维护起来比较吃力，非常不方便。没有防火挡板，在出现火灾时可能会蔓延至其他阀层，带来更大大的损失。建议厂家对阀塔结构进行优化设计。

[1]Jos Arrillaga． High Voltage Direct Current Transmission．2nd Edition[M]．Printed in England by Srort Runpress Ltd．1998．

[2]陈红军．高压直流输电技术的发展及其在电力系统中的应用[J]．电力建设,2001,10(7):18-21．

[3]袁清云．特高压直流输电技术现状及在我国的应用前景[J]．电网技术,2005,29(14):1-3．

[4]白光亚．光触发晶闸管换流阀技术及其应用[J]．高电压技术,2004,30(11):55-59．

[5]宁凤辉,赵中原,邱毓昌．三峡至常州±500kV高压直流输电用晶闸管阀技术特点[J]．高压电器,2003,39(4):62-69．

刘浔（1981—），男，江西九江人，大学本科，工程师，供职于国网湖北省电力公司检修公司特高压交直流运检中心检修二次班，任副班长，从事直流控制保护系统维护工作。

戴迪（1983—），男，湖北武汉人，硕士研究生，工程师，供职于国网湖北省电力公司检修公司特高压交直流运检中心检修二次班，技术专责，从事直流控制保护系统维护工作。

成川（1984—），男，四川成都人，大学本科，助理工程师，供职于国网湖北省电力公司检修公司特高压交直流运检中心检修二次班，任工作负责人，从事直流控制保护系统维护工作。

艾亮（1986—），男，湖北武汉人，大学本科，助理工程师，供职于国网湖北省电力公司检修公司特高压交直流运检中心检修二次班，检修工，从事直流控制保护系统维护工作。

吴双（1987—），男，湖南湘乡人，大学本科，助理工程师，供职于国网湖北省电力公司检修公司特高压交直流运检中心检修二次班，检修工，从事直流控制保护系统维护工作。