西安西电电力系统有限公司 毛灿

1 引言

高压直流输电具有输送距离远，输送功率大，非同步区域互联，功率损耗少，功率调节灵活，线路造价低等优势，已被越来越多的应用在电力传输领域。晶闸管换流阀主要采用晶闸管元件，单个晶闸管元件仅能承受几千伏的电压,因此输出几百千伏直流电压需用几千个晶闸管级串联获得,其中每个晶闸管级(图1所示)是由晶闸管、RC阻尼回路、晶闸管监测单元（TVM）、导线连接等组成的电气单元。阻尼电容是组成每个晶闸管级的关键件,在换流阀设备中数量大，对换流阀安全运行非常重要。本文结合换流阀设备年度检修过程中发现的极为罕见的唯一个案——换流站换流阀阀塔内的阻尼电容表面腐蚀，基于全面检测和深入的理论分析，为设备管理和运行维护人员提供一个难得的案例，提出了换流阀设备和阀厅设备相应的建设性维护建议。

图1 晶闸管级原理图

2 换流阀阀塔内阻尼电容部件表面情况

换流阀阀塔内阻尼电容表面腐蚀的发现，源于换流阀设备运行期间,换流站运行人员用紫外成像仪对换流阀运行的监测。当时换流阀输送功率为1070 MW，阀厅相对湿度为58%，湿度传感器安装在阀厅侧墙，高度为电位0kV位置处。结合图2，极2阀厅换流阀布局图，换流阀阀塔共6层，阀层由上至下直流电位逐层升高，底部最下层电位为-500kV。换流阀阀塔监测发现：在极2阀厅B相右侧阀塔偏下层的电容隔板处有放电光子，放电光子数是1000。具体见图3 G80紫外成像仪监测照片，此处高度较低，输出电压高，但没有安装相对湿度探测器。

图2 极2阀厅换流阀布局图

换流阀此次年度停电检修期间，发现在极2阀厅B相右侧阀塔第5层第1级的电容表面有薄薄一层白色粉末、电容托架和电容固定钢扎带表面局部有轻微放电痕迹,同时在底部电容托架和底部电容固定钢扎带的间隙中黑褐色粘滞混合物较多（见图5）。白色粉末和黑褐色粘滞混合物尽管在不同区域，但都是在靠近电容隔板一侧。黑褐色粘滞混合物周围的电容隔板有明显的潮湿痕迹（见图4）。而在电容面朝外的一侧（见图6），电容表面干燥，灰尘均匀，无表面白色粉末和放电痕迹。

为了查明该阀塔内有表面白色粉末和黑褐色粘滞混合物的部件的区域分布范围，对B相阀塔做了全面检查。在其他A相和C相换流阀阀塔中也做了全面检查，检查结果发现：表面白色粉末和黑褐色粘滞混合物的现象有一定分布规律，阀层的电位越高的位置，安装高度越低,积尘越严重，相对湿度越大，白色粉末和黑褐色粘滞混合物的现象也越严重。主要集中在阀层4、5、6；见图5、图6。

图5 阻尼电容表面照片

图6 阻尼电容表面灰尘照片

3 电容零部件检查和检测

3.1 电容、电容托架和电容固定钢扎带检查

（1）电容检查

对拆下的电容器先进行了外观检查和参数测试，然后再接入阻尼回路进行晶闸管级电气试验。

电容外观检查：靠近电容隔板侧的电容表面灰尘分布不均，有白色粉末，而白色粉末仅分布在电容下部表面的浅表层。黑褐色粘滞物主要集中在底部电容托架和电容固定钢扎带的间隙中。远离电容隔板外侧的电容面，灰尘分布均匀，无表面腐蚀和放电痕迹。电容表面经过清洁处理后，颜色正常，阻尼电容没有破损。

参数测试结果：电容值在正常范围内，耐压正常。

晶闸管级电气试验结果：电气性能正常。

排除了因阻尼电容本体异常产生表面白色粉末和黑褐色粘滞混合物从电容内部渗出的可能性。

（2）电容托架检查

拆下电容托架进行检查，在底部电容托架的凸台附近，黑褐色粘滞混合物较多（见图5），用酒精清洁污秽的表面，表面颜色恢复正常。电容托架材料具有优异的绝缘、阻燃特性、低吸水性、耐化学、耐高温。因此不可能是托架材料导致放电。

（3）电容固定钢扎带检查

拆下电容固定钢扎带进行检查，在电容固定钢扎带边沿处，局部有放电留下的灼烧痕迹，见图7。用酒精清洁污秽的表面，表面颜色基本恢复正常。

3.2 残留物检测

现场抽检两组残留物样品，第一组样品是白色粉末，第二组样品是黑褐色粘滞混合物。

第一组取电容器表面的白色粉末，检测结果如下：

第一组样品检测结果：尽管所选择的4个不同安装区域的电容的化学成分比例不完全相同，但是仍可以发现：样品中最多非金属元素为O，而最多的金属元素为AL。通过分析，O元素应该是来源于空气、水分、灰尘等，而金属元素AL则是来自阻尼电容的铝外壳。

第二组取在电容托架和电容固定锈钢扎带间隙中黑褐色粘滞混合物，检测结果如下：

第二组黑褐色粘滞混合物检测结果：尽管所选择的3个不同安装区域形成的黑褐色粘滞混合物化学成分的比例不完全相同，但是所含元素基本相同，基本规律为：样品中最多非金属元素为O、C、N，而最多的金属元素为Fe。通过分析，O、C、N元素应该是来源于空气中的灰尘和托架材料（PA66），而金属元素Fe则是来自电容固定钢扎带。

4 电容表面腐蚀及钢扎带放电过程分析

4.1 电容表面白色粉末形成原因分析

电偶腐蚀是异种金属在同一电解质溶液中，当这两种金属的电极电位不同，电极之间存在电位差，如果把这两个金属相互接触或用导线接通，那么电位差就驱动电子由电位较低的金属流向电位较高的金属。与此同时，在这两种金属与电解质溶液的界面上发生电化学反应，较低电位的金属表面发生氧化反应，该电极为阳极；电位较高的金属表面发生还原反应，该电极为阴极。在电解质溶液中，离子在电场作用下发生迁移。在电极和电解质溶液的界面上表现为阳极有被腐蚀的现象。

电偶腐蚀必需具备3个条件：

（1）两种不同金属存在腐蚀电位差；

（2）具备腐蚀电位差的两个电极处于短路状态；

（3）金属两极都处于同一电解质溶液中。

从图3和图4可以看出，阻尼电容是通过电容托架固定在电容隔板上的，阻尼电容靠近电容隔板的面，空气对流受限，电容隔板上留有潮湿痕迹，灰尘分布极不均匀，白色粉末和黑褐色粘滞物都是处在这个面上；另一侧电容面朝外 （图3），空气对流好，电容表面灰尘分布均匀，没有表面腐蚀和放电痕迹。说明电容干燥面不会有表面腐蚀现象，只有在潮湿条件下才发生表面腐蚀。

图2极2阀厅换流阀布局图，阀塔顶部电位0kV，阀塔底部电位-500kV。湿度传感器安装在阀厅侧墙，高度在电位0kV位置处，可以推出在电位0kV位置处阀塔偏下的第5层，即电容表面出现金属腐蚀和电容固定扎带放电的阀层的相对湿度会更大，电场更强。

换流阀阻尼电容外部是铝合金材料封装。在相对湿度较高环境下，靠近电容隔板侧的电容表面，空气对流不好，遇到潮湿的空气形成凝露。凝露受重力影响向下沉积，靠近底端的电容固定钢扎带和邻近的电容面的凝露在高压电场作用下，形成了强极性的电解质溶液。构成电偶腐蚀条件3。

从图4和图5看，电容托架和阻尼电容之间通过电容固定钢扎带固定，电容固定钢扎带半个面和电容托架接触，电容固定钢扎带另半个面直接与阻尼电容外壳接触，电容固定钢扎带材料是不锈钢，阻尼电容外壳材料是铝合金，阻尼电容和电容固定钢扎带直接接触，形成异种金属相接触的短路回路，构成电偶腐蚀条件2。

图7 不锈钢扎带边沿放电痕迹

表1 第一组样品检测表

表2 第二组样品检测表

电容表面采用铝合金材料，电容固定钢扎带采用不锈钢材料，这两种材料腐蚀电位不同，存在一定的电位差。按照电偶序表（参考GJB 1720-93 异种金属的腐蚀与防护），铝合金作为阳极，不锈钢作为阴极。构成电偶腐蚀条件1。

电容表面腐蚀形成白色粉末原因分析：阻尼电容表面铝合金和电容固定钢扎带表面不锈钢形成牺牲阳极腐蚀，强电场作用下的水极化起到电解质溶液作用，活泼金属铝合金作为电偶反应中的阳极，失去电子变成离子状态，发生氧化反应；不锈钢作为电偶反应中的阴极，在它的表面H2O和O2得到电子形成OH-，OH-距离最近的铝表面发生腐蚀，最终在阻尼电容金属表面形成金属氧化物和金属氢氧化物的混合物。

电化学反应方程式如下：

4.2 电容托架表面黑褐色粘滞混合物形成原因分析

表2第二组样品检测表中碳的含量很高，换流站所处位置正好处工业区和生活区，周围有热电厂，而热电厂产生的灰尘主要是碳粉尘。每年夏季时间频繁下雨，相对湿度高，灰尘随潮湿的空气进入到阀厅中。

极2阀厅换流阀阀塔顶部电位0kV，阀塔底部电位-500kV。阀塔6层由上至下，直流电位逐层升高，阀层电位高而安装位置低，在高压电场集尘效应作用下，位置低的阀层4、5、6内，阻尼电容积尘重。同一阀层阻尼电容内，位置低的电容托架积尘更重。

换流阀阀塔电位高的阀层内，靠电容隔板侧，空气对流不好，蒸发量低，相对湿度较高环境下，电容金属表面易凝露，电容表面灰尘混合凝露受重力，沉积在底部电容托架凸台和电容固定钢扎带之间的缝隙中。电容固定扎带边沿是锐边，边沿尖端会形成强电场，电容表面灰尘混合凝露在高压电场下作用下，电导增大，形成电容固定钢扎带边沿尖端对离它最近的电容托架凸台放电。类似于空间一端电极相对另一端绝缘介质的表面放电。

表3 放电光子数的强度分级表

图5所示的两个电容固定钢扎带拆下后的照片见图7，电容固定钢扎带表面均有放电痕迹，表面灼痕程度不同，与顶部电容托架固定的钢扎带电灼痕程度较小，灼痕点仅在一侧边沿上。与底部电容托架固定的钢扎带电灼痕程度较大，灼痕面贯穿钢扎带整个宽度；放电痕迹成半圆形，与电容托架凸台圆弧曲率一致，放电点在离电容托架凸台最近的电容固定钢扎带边沿面上。

形成的黑褐色粘滞混合物，分别在顶部电容托架凸台和底部电容托架凸台。对比两区域内黑褐色粘滞合物，顶部量少、底部量多。黑褐色粘滞混合物积满向下流淌痕迹,颜色深浅不一，前期形成混合物上又堆积后期新形成的混合物,形成已蒸干混合物上面又堆积新的潮湿混合物。当阀厅湿度大，高压电场强，在电容固定钢扎带和电容托架凸台之间形成表面放电，当湿度小电容表面水分蒸干时，表面放电停止，这种反复潮湿、干燥、潮湿；反复放电、停止、又放电；形成了包含许多灰尘、水分以及放电灼蚀电容固定钢扎带和电容托架表面形成的黑褐色粘滞混合物。目前换流阀设备检修是一年一次，从时间上推断，生成的黑褐色粘滞混合物是一年之内积累形成的。

5 避免电容表面腐蚀和钢扎带放电的改进建议

影响金属表面腐蚀及放电的因素较多：高电场强度、较重灰尘污染、阀厅相对湿度高、部件间的空气间隙及金属表面曲率等。主要因素还是阀塔之外的潮湿空气和灰尘造成。阀塔内各阀层电位是设计限定的，阀层间距在安全绝缘距离范围内，阀层内各晶闸管级承受安全范围内的固定电压，晶闸管级内各部件间隙也在安全绝缘距离范围内。电容表面凝露混合灰尘，沿电容表面向下汇集并沉积在部件之间的间隙中，形成金属表面腐蚀和放电。要预防金属表面腐蚀和局部放电，就是要采取措施消除致空气潮湿因素和致灰尘的因素。因此保持阀厅密闭、空气调节微正压和相对湿度控制对换流阀设备安全运行极重要。同时，每年换流阀年度检修和清洁也非常必要。换流阀年度检修期间，查出的故障隐患可以在检修时，及时消缺处理。以下建议可用到换流阀设备维护过程中。

6 换流阀设备运行维护建议

6.1 换流阀运行监测

采用紫外成像仪巡检阀厅内各阀塔的放电情况。根据监测放电产生的光子数，可以电晕定位和定性。但是在定量方面，目前仍没有完善的导则。对于定性的研究课题不但在国内，在国外也是非常热门，在美国欧洲，以色列等地都有专家在研究解决方案。经过数年的研究和资料搜集，美国和以色列的专家共同编写了一个简单的判定分级。将光字数的强度分为3个等级：高度集中、中度集中、轻度集中。3个等级的判定和采取的措施见下表。

在紫外成像仪的增益设定为G80-G100时，当换流阀阀塔中局部光子数稳定在＜1000个左右，且并无增大的迹象，属于轻度放电类型。当光子数超过5000视为不可接受的放电，需要停电处理。

6.2 阀厅湿度的监测

（1）加强换流阀阀厅的相对湿度监测，保持阀厅的长期相对湿度＜RH50%，使换流阀处于长期安全运行环境；

（2）当阀厅相对湿度的范围为：RH50%＜阀厅湿度＜RH60%时，应引起高度重视，及时采取措施调整阀厅的相对湿度，同时采用紫外成像仪进行放电监测。

（3）建议在阀厅内高压电场强、相对湿度大的区域，增加湿度传感器，取阀厅湿度探测最大值作为预警信号，将湿度监测信号送至控制室，超过RH50%应产生报警信号，以提醒运行值班人员采取措施。

6.3 阀厅相对湿度及污秽的控制

相对湿度高，灰尘严重是本次阻尼电容固定钢扎带表面放电的一个主要因素。因此有如下建议：

（1）定期进行空调维护，保证阀厅环境满足换流阀长期安全运行要求；

（2）在不影响正常使用的条件下，对现有空调系统进行升级，使空调可以有效的除湿；

（3）保证阀厅长期处于封闭状态，避免灰尘进入；

（4）保证阀厅相对外界环境形成微正压，使外界尘埃不容易进入到阀厅；

（5）增加阀厅空气灰尘检测和除尘过滤设备，定期更换滤网。

7 结论

换流阀阻尼电容表面腐蚀，并伴有个别电容固定钢扎带局部放电，放电光子数范围为1000，经检查测试可得出以下结论：

高压直流输电换流阀阻尼电容表面腐蚀的根本原因是高压强电场下阀厅相对湿度和灰尘超标造成的。

建议在阀厅内高压电场强、相对湿度大的区域增设湿度传感器，取湿度探测最大值作为预警信号，对阀厅相对湿度进行有效控制。空调设置保证阀厅相对外界环境形成微正压，使尘埃不容易进入阀厅。换流阀运行期间，加强放电监测、换流阀阀厅运行环境的湿度和灰尘监测，保证空调设备的除湿和除尘性能，使换流阀处于长期安全运行的环境。

阻尼电容作为换流阀的关键部件，与阻尼电阻串联后，并联在晶闸管元件两端，构成过电压阻容吸收电路，避免晶闸管元件受损，对换流阀设备安全运行至关重要，如果表面腐蚀电容得不到及时处理，这种腐蚀性破坏会渗透到电容内部和腐蚀电容范围扩大，造成换流阀设备停运。因此，加强换流阀设备运行放电监测和阀厅环境监测，可及时发现隐患，采取有效措施改善空气质量，抑制并消除高电压下受污秽、潮湿环境影响而产生电偶腐蚀及局部放电。这不但适用于高压直流输电换流阀设备运行维护，也同样适用于特高压换流阀设备运行维护。

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