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一起换流站阀水冷系统故障问题分析

来源:null  发布日期:2021-03-01     点击数:7

一起换流站阀水冷系统故障问题分析

刘孝,钱逸磊,蔡亦竹,闫全全

(国网上海市电力公司检修公司,上海,200063)

 

摘要:换流阀运行时,阀体会通过大电流产生高温,阀水冷系统作为对阀主体及各个元器件冷却的主要系统,对换流站安全稳定运行有着十分重要的作用。本文通过对换流站阀水冷系统及水冷控制保护系统的介绍、现场故障问题的分析和处理、更深入的问题探讨,给直流控保设备检修提供一些思路和方法。

关键词:阀水冷系统,控保系统,主泵切换,通道采样异常,CPP

 


0 引言

随着我国现代电力系统的飞速发展,高压直流输电(High Voltage Direct Current,HVDC)技术因其传输容量大、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、可靠性[2]。阀水冷系统是换流站的重要组成部分,换流阀运行时,阀体会通过大电流,伴随而来的是阀体高温,高温导致阀体或各个阀组件的老化、损坏。为避免换流阀内各元器件由于过热受到损坏,换流站设置了阀水冷系统对阀体的各个设备进行降温,保证阀塔的正常稳定运行,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大大降低,通过本次处理换流站阀水冷系统故障问题、了解阀水冷控保的运行逻辑,为以后直流控保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(CCP

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]。图1为阀水冷系统的结构图。

1 阀水冷系统结构图

1.1.2 阀水冷系统的主要设备

内水冷系统中的主要设备: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时,对系统进行补水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,为了达到循环系统中的冷却水高电阻率的目的,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。

外冷水系统中的主要设备: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、水流量表计等,用来对系统进行实时监测。

 

1.2 水冷控制保护系统(CCP

阀水冷控制保护系统是由CCPACCPB两套冗余系统组成,每套控保系统又为双套配置CCP1CCP2,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系统都不在运行状态则进行闭锁直流操作[4]。图2为阀水冷控制系统结构图。

2 阀水冷控制保护结构图

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、进出水水温、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]。图3为阀水冷控保主要保护及保护功能示意图。

3 阀水冷控制保护和功能示意图

 

 

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的故障,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》规定了直流控制系统故障后动作策略的相关要求:

1)运行系统发生轻微故障时,另一系统处于备用状态且无任何故障,则系统切换。切换后,轻微故障系统将处于备用状态,当心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;备用系统发生轻微故障,系统不切换。

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

3)运行系统发生紧急故障时,另一系统处于备用状态,则系统切换,切换后紧急故障系统不进去备用状态;运行系统发生严重故障,如另一系统不可用时,闭锁直流。

2.1.2 事故列表说明

某日,NQ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,由于极一未送功率,未发生功率损失。根据当时后台事件报文,从02:10:40:88202:13:39:422的约3分钟左右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

目前直流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测量范围内(即主水管道进水侧压力在0-0.95Mpa、主水管道出水侧压力在0-1.5Mpa)时,若“主水管道进水侧压力-主水管道出水侧压力”<0.2Mpa,则产生“主泵压差故障”报警,并进行主泵切换,若切泵之后故障仍然存在,则继续进行主泵切换操作,直至故障消失[6]。从事故报文中可以看到,NQ站极1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

目前直流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秒报“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秒左右进行主备系统切换,再延迟4秒报“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秒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秒后报“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。根据后台报文信息看到,从02:13:40:148泵一退出运行到02:13:44:420泵一运行,4秒钟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”跳闸是由于两主泵均退出运行导致.

2.2.3 RS8680单板故障实验论证分析

现场测试发现NQ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,论证结论[7]。图4为测试平台结构图。

4   测试平台及测试点示意图

在板卡各通道分别输入0mA10mA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,表1至表4为结点电压的测试数值表。

1 输入0mA时故障RS8680板卡1各测试点电压表

2 输入10mA时故障RS8680板卡1各测试点电压表

3 输入0mA时故障RS8680板卡2各测试点电压表

4 输入10mA时故障RS8680板卡2各测试点电压表

从表1到表4可以看出,板卡1的通道2、板卡2的通道3HCPL7800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。

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,且CCP逻辑中关于主泵全停的逻辑关系只有两种可能:(1)远程停水(2)水冷系统泄漏。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,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。因此也可能是由于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短时间停运的可能[8]。图5为主泵1控制回路图

5 主泵1控制回路图

现场检修期间还发现计量主循环水流量的表计接线也有一定的问题,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”出现时,会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。图6为后台主泵压差采样值及逻辑信息图。

6 “主泵压差故障”逻辑图

3.2 双线圈辅助继电器测试

主泵全停的因素有可能是双线圈辅助继电器频繁动作造成,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实验,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

在对RS8680板卡进行实验测试时得出的结论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。表5为更换隔离放大芯片HCPL7800后板卡各点电压测试数据表。

5 更换隔离放大芯片HCPL7800后板卡各点电压测试表

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表计存在问题,更换新的表计,设置好各个参数。

4.问题思考

1)在水冷系统发生故障时,先切换控制系统还是先主泵?

一般情况来说,一次系统出现问题的几率远远小于二次系统出现问题的几率,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”执行切泵的逻辑命令。

5.结语

经过本次故障的现场检修和处理的过程,对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一定的了解,对水冷控制保护的判别逻辑,特别是故障判别的逻辑关系也有所认知,在故障处理的过程中判断出可能导致故障产生的各种原因,如双线圈辅助继电器频发动作、RS8680板卡隔离放大芯片HCPL7800采样值异常,经过逻辑判断、搭建平台、测试分析、更换元器件比较等环节,将故障范围一步步缩小,直到最终定位,同时也在工作进行的同时对处理故障的方法进一步的探讨和思考。

本次故障的顺利排查处理是建立在对换流站水冷系统和水冷控制系统(CCP)故障判别的逻辑关系有一定程度了解的基础上,但由于相关换流站水冷设备运行时间较长,存在设备老化和元器件是小的可能性,接下来的工作除让厂家将相关故障板卡带回做更详细的检测外,也要对系统是否需要增加“主泵压差故障”报警切换系统功能逻辑研究和对站内其他同批次RS8680板卡测试,希望能够保证水冷系统和整个换流站更加安全稳定的运行,也为今后直流检修提供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。                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            

参考文献

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[2]  赵畹君,谢国恩等.高压直流输电工程技术[M].中国电力出版社.2014.4

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[7]  景兆杰.,蔡常群等.新型模入通道保护模块在阀冷系统中的应用[J].信息技术.201307):193-196

[8]  李爱生,朱韬析.直流输电工程中阀水冷监控系统的改进建议.电力系统保护与控制.201016):11-12

作者简介;

刘孝,(1990-),男,籍贯江苏省盐城市大丰区,工学硕士,三级组员,助理工程师,主要从事继电保护与直流控制系统的检修工作;电话18521947872,邮箱2234407490@qq.com

钱逸磊(1987-),男,籍贯上海市,工学学士,助理工程师,主要从事继电保护、控制保护检修工作;

蔡亦竹(1984-),男,籍贯上海市,高级工程师,主要从事特高压直流检修工作;

闫全全(1984-),男,籍贯上海市,工程师,从事直流换流站控制保护运行维护工作。

 

 


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