摘要：内冷水系统是换流站重要组成部分，其安全稳定运行直接关系到换流站核心设备，换流阀的健康，保证内冷水可靠的运行，一直以来都是各换流站的重点工作。本文主要结合换流站实际跳闸事故，就异常和事故发生的原因，分别从二次系统、一次设备方面进行说明，对泄漏探测的策略进行了研究分析。
关键词：内冷水；泄漏；保护；内外循环；探测
1引言
换流站的内冷水系统是十分重要的辅助系统，其作用是用循环的去离子低含氧量水将换流阀产生的热量带走，以达到降低换流阀温度的目的。系统本身为全封闭系统，若由于部分设备发生异常，导致内冷水泄漏，将直接影响直流系统运行。因此，泄漏探测的手段非常关键，泄漏保护的配置需要不断优化，一次泄漏的防范措施需要不断强化。
根据各换流站多年运行情况看来，泄漏情况主要表现为：内冷水主泵轴封漏水、阀塔水管接头脱落漏水，法兰松动漏水等。各换流站曾多次出现内冷水泄漏导致直流闭锁和强迫停运事故，针对换流站泄漏情况，本文分别从二次保护系统和一次设备方面进行分析，探讨与泄漏相关的保护配置，剖析了泄漏探测策略，结合换流站泄漏闭锁情况，提出了泄漏策略优化建议，总结了泄漏防范手段，希望能够对新建直流工程有借鉴意义。
2 内冷水泄漏保护配置及分析
2.1 内冷水泄漏保护设置
ABB技术内冷水泄漏保护配置如下：
（1）突变量泄漏保护、24小时微分泄漏保护：设置在ABB直流保护软件内，根据膨胀罐水位变化量，判断内冷水系统是否存在泄漏，作用于报警或跳闸；
（2）膨胀罐水位保护：设置在ABB直流保护软件内，当膨胀罐水位测量值低于设定值时，作用于报警或跳闸；
（3）水位开关保护：换流阀阀塔底座安装阀漏水检测装置，当检测到阀塔底部有积水时，作用于报警。
2.2 内冷水泄漏保护设计原理及合理性分析
2.2.1 泄漏保护设计原理
泄漏保护逻辑设置在水冷控制保护系统（CCP）内，分别有两套控制系统CCPA和CCPB，每套控制系统内有两个独立的处理板卡PS830（CCP1和CCP2），且两个板卡内都配有独立的保护。CCP1中配有24小时泄漏保护，只作用于报警，其设计原理是：取膨胀罐水位传感器、阀进水温度、阀出水温度和冷却塔出水温度传感器的测量值，计算得出膨胀罐内水的体积，与3分钟前膨胀罐内水的体积作差值，并把24小时内的体积差（CV_DIFF）累加起来，如果内冷水体积差总变化大于46.0L，则发内冷水泄漏报警。CCP2中配有突变量泄漏保护，作用于跳闸，设计原理是：连续计算3s内和10s内的膨胀罐内水位变化量，如果都大于整定值（计算值），则延时20s切换系统，延时25s闭锁极，停泵。
2.2.2 24小时泄漏保护设置合理性分析
若24小时内膨胀罐水的容积变化大于46.0L，则报泄漏报警。某站内冷水管道中共有20000L水，其中，膨胀罐容积为400L，正常运行时，膨胀罐水位在50％～70％之间，即200L～280L，而膨胀罐水位跳闸定值为10％，即40L。因此，当24小时内膨胀罐水量减少46.0L时，内冷水系统仍可维持运行较长时间，但需立即检查内冷水系统是否存在泄漏等异常情况，因此保护定值设置合理。
2.2.3 突变量泄漏保护设置合理性分析
突变量泄漏保护软件实时监视膨胀罐水位，通过两种计算路径来判别是否漏水，即：（1）目前实际水位比10S前水位低，差值超过定值；（2）目前实际水位比3S前水位低，差值超过定值。当两种判据同时满足后，延时20S切换系统，延时25S跳闸，极闭锁后执行停泵。
正常时，10S内的温度变化不会超过0.5度，所以选择低定值，即持续25S内，10S变化率始终大于0.6%（2.4L），同时，3S变化率始终大于0.18%（0.72L），才会导致极闭锁。
2.3 水位保护设计原理及合理性分析
2.3.1 水位保护设计原理
水位保护逻辑设置在水冷控制保护系统内，分别有两套控制系统，每套控制系统内两个独立的处理板卡，并且两个板卡内都配有独立的保护。
（1）CCP1水位保护直接测量膨胀罐水位模拟信号，当膨胀罐水位低于设定值时，可作用于报警或跳闸。
（2）CCP2水位保护使用磁铁接点式传感器，当水位低于传感器设置安装的高度时，直接作用于跳闸。
2.3.2 水位保护设置合理性分析
硬件配置：水位传感器有E1.BL1和E1.BL2，分别对应两个系统，安装在内冷水膨胀罐胖，E1.BL1和E1.BL2取A、B两路电源，且分别对应A、B两套系统，配置合理。
软件设置：水位保护定值设置为
（1）当膨胀罐水位超过87％时，延时5s，发膨胀罐水位高告警；
（2）当膨胀罐水位低于32％时，延时5s，发膨胀罐水位低告警；
（3）当膨胀罐水位低于10％时，延时2s，切换系统，延时5s发跳闸命令，闭锁极；
（4）当膨胀罐水位超过100％时或低于0％时，发传感器故障报警，切换系统。
定值设置合理。
2.3.3 水位开关保护设置合理性分析
硬件配置：水位传感器有两个，E1.BL3和E1.BL4并列安装于膨胀罐侧面管道最低水位限制值10％时，与膨胀罐连通，用于测量膨胀罐水位，且分别对应A、B系统；
软件设置：当膨胀罐水位低于水位开关安装位置时，水位开关保护动作，延时1s切换系统，延时4s跳闸，闭锁极。
E1.BL3和E1.BL4均采用磁感应接点方式，膨胀罐侧面管道内有一块浮于水面的磁性模块，当水位降低到传感器安装位置时，E1.BL3和E1.BL4接点受磁力作用闭合，动作于跳闸。因此，若有磁性物体靠近E1.BL3和E1.BL4安装地点，有可能引起接点误动作，导致极闭锁。
2.4 阀漏水检测装置原理及合理性分析
阀漏水检测装置利用全反射原理，其一根光纤内的两根芯通过中间的棱镜进行对射时，在水和空气中反映出不同的折射率，以此来判断光纤头部是否在水中。当阀漏水检测传感器检测到漏水后，发送信号至后台工作站。
一般直流工程中，每个阀塔各配置两套阀漏水检测系统，探测光纤装设在阀塔底部屏蔽罩上，用来探测在阀塔底部是否存在积水，从而判断内冷水管道是否有泄漏，两套阀漏水探测系统分别对应A、B两套控制系统，配置合理。
3 直流输电工程中，泄漏保护与内外循环切换的联系
直流工程中，在2008年冰灾受灾期间，由于室外温度较低，内冷水从外循环方式切换至内循环后，膨胀罐水位逐渐升高，温度也逐渐升高，并达到外循环条件，在从内循环切至外循环后，突变量泄漏保护动作。因此，泄漏保护与内、外循环切换有着非常紧密的联系。
3.1 内外循环切换控制策略分析
内冷水内、外循环方式是通过K7、K8两个电磁阀实现。当电磁阀完全闭合，内冷水为外循环；当电磁阀完全打开，内冷水为内循环；当电磁阀在中间状态时，内冷水一部分外循环，一部分内循环。
3.1.1外循环状态
（1）阀进水温度高于22度时，由系统发出指令让电磁阀闭合，当电磁阀完全闭合后，内冷水状态为外循环。
（2）当冷却塔出水温度低于3度时，内冷水的加热器已开启，为防止室外的内冷水结冻，系统发指令让电磁阀闭合，使内冷水外循环。
3.1.2内循环状态
当阀进水温度低于18度时，系统发指令让电磁阀分开，当电磁阀完全分开后，内冷水为内循环。
3.1.3中间状态（一部分为内循环，一部分为外循环）
（1）内循环转为外循环的过程中，若阀进水温度低于21度，则停止发闭合指令，且只要温度在18～22度变化范围内，阀门将一直保持现有状态，即内冷水一部分为内循环，一部分为外循环。
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（2）外循环转为内循环的过程中，若阀进水温度高于19度，则停止发分开指令，且只要温度在18～22度变化范围内，阀门将一直保持现有状态，即内冷水一部分为内循环，一部分为外循环。
3.2 水冷系统突变量泄漏保护动作情况
某换流站双极直流系统处于停运状态，内冷水K7、K8电磁阀处于中间状态，极I极控制保护系统发内冷水泄漏保护动作信号，极I两台主泵停运，现场检查整个内冷水管道，未发现漏水现象。
历史趋势中看出膨胀罐水位变化、压力变化、阀进出水温度变化：
（1）膨胀罐水位变化：跳闸前25S水位为77％，跳闸时水位为70％，下降了7％；
（2）系统压力变化：压力急剧下降，从193KPa降至143KPa；
（3）阀进出水温度变化：温度无明显变化，一直保持在22度.
因为阀进出水温度变化小于0.5度，故泄漏保护选择低定值，通过水位变化曲线可以看出，25S内水位每10S的变化持续大于0.6%，泄漏保护正确动作。通过压力的变化也可以看出，当时膨胀罐水位确实存在突然降低的现象。
通过上述分析，CCP1泄漏保护动作跟内外循环、泵速切换及阀进出水温度存在直接关系：
（1）因直流系统长期停运，室外温度较低，极I、极II内冷水系统温度满足条件，从外循环转为内循环方式。
（2）在内循环运行期间，主泵每5小时进行一次高低速切换，在多次切换过程中，膨胀罐水位逐次上升。极I上升较快，从62％上升到77％；而极II上升较慢，从62％上升至65％。
（3）因内循环时间较长，使温度上升到22度，在主泵高速运行过程中，极I内冷水从内循环运行转为外循环，15分钟左右，水位急剧下降，从77％降到70％，导致泄漏保护动作。而极II从65％降至59％，但是，变化速度较慢，故未动作。
4内冷水设备泄漏情况分析及对策
直流工程中很多换流站均出现过内冷水系统出现泄漏情况，对换流站运行带来较大隐患，以下对换流站典型的泄漏情况进行举例说明，并将各站采取的对策分析如下。
4.1某换流站主循环泵漏水
20XX年9月5日6：29，某换流站极Ⅱ内冷水泄漏保护动作，致使直流系统单极停运、闭锁，检查发现极Ⅱ 1号主循环泵轴承处漏水，检修人员将主泵解体后发现，极Ⅱ 1号主泵轴承已经严重损坏，并且陶瓷密封圈破裂，导致内冷水大量的外泄，水位迅速下降，保护正确动作。
从破损情况上看，该事故不是突发，而是经过了一个过程之后才发生的大量泄漏，如果能在第一时间探测出主泵漏水，并进行适当处理，不会造成直流闭锁，因此在主泵处增加泄漏探测装置非常必要。某换流站针对此类事故，在主泵易漏水的轴封处加装积水装置和漏水传感器，能够非常有效、灵敏地探测主泵处微小的泄漏，在各换流站应用效果非常明显。
4.2换流站阀塔内接头漏水
换流站由于阀塔水管接头漏水，导致直流闭锁。经分析，内冷水系统长时间运行、日常温度变化和常年震动以及压力增大致使小水管老化最终脱落是导致事故发生的直接原因。
换流站运行人员巡检发现极I阀厅Y/Y阀塔C相顶部法兰有渗水，通过分析，主要原因是由于长期运行震动后，发生螺丝松动现象，并且防震弹簧垫圈没用起到应有的作用。
就现场运行经验来看，换流站水管接头设计并不是双指环卡口，导致松动的可能性增大；另外，通过现在直流工程出现过的类似泄漏情况，对换流站内冷水系统的运行管理提出了更高的要求，需要进一步加强水管接头、法兰接头等易漏水部位的检修力度，年度检修时应重点检查水管接头和法兰接头，必要时对管道进行加压试验。
对于新工程设计而言，应充分考虑减少接头数量和冷却效果、合理选择接头安装工艺、利用有效的试验检测手段、便于运行维护、采取管道防腐蚀。
5 建议
为确保内冷水系统安全稳定运行，综合以上分析结果，接下来我们从两方面提出改进措施：一是从二次方面对内冷水泄漏保护策略提出优化建议，二是从一次方面对预防和防止内冷水泄漏提出改进措施。
5.1 泄漏保护策略优化建议
5.1.1取消CCP2软件内接点式水位开关跳闸
接点式水位开关保护采用磁感应接点方式，且分别对应两系统的水位开关接点安装于在同一地点，当有磁性物体靠近时，同时误动造成极闭锁的可能性较大，因此，建议可将该保护取消，或将保护动作结果更改为告警。
取消接点式水位开关跳闸后的影响：由上文分析可知，膨胀罐已设有突变量保护和24小时微分泄漏保护，分别作用于跳闸与报警，足可以及时发现缺陷和紧急跳闸，即使泄漏保护跳闸拒动，还有软件CCP1内模拟量水位保护可作用于报警和跳闸，报警信号可使运行人员有足够的时间处理异常，当膨胀罐水位低于10%时，可作用于跳闸。因此，取消接点式水位开关跳闸后，内冷水系统其它保护仍能可靠的对水泄漏做出正确反应并动作。
5.1.2提高突变量泄漏保护定值，增加内外循环切换期间保护闭锁逻辑
依据换流站年度检修期间，内冷水系统主泵高低速切换运行，在一切正常的情况下保护动作，说明保护太灵敏，建议适当提高保护定值，以提高系统运行可靠性。
针对内外循环切换导致保护误动的情况，建议参考24小时泄漏保护中的闭锁逻辑，在内、外循环切换时闭锁该保护15分钟，以防止由于膨胀罐水位骤降，而引起该保护误动。
5.1.3防止内循环
突变量泄漏保护动作跟内外循环、泵速的切换及阀进出水温度存在直接关系，为防止误动，可人为提前投入加热器，使内冷水系统保持外循环。并且，为防止内外温差差异较大，建议切泵时间设为14时左右，从而减小环境对系统的影响。
5.2 防止内冷水泄漏的改进措施
5.2.1增加主泵漏水探测
综合各站内冷水泄漏事件，多数是因为主泵轴封漏水，此类故障初期泄漏量较少，泄漏保护报警不会发出，若此时能及时发现缺陷，可立即切换至另一主泵运行，并关闭故障主泵两侧进、出水阀门，既不影响直流运行，也可对主泵故障点进行检修处理，因此在主泵轴封处增加泄漏探测装置非常必要。
5.2.2优化内冷水管道设计
（1）充分考虑减少水管接头数量
目前内冷水采用两种典型的设计模式，串联和并联。一部分换流站采用并联模式，一部分直流工程采用串联模式。
并联设计接头数量明显多于串联设计，接头过多增加了泄漏点，给内冷水系统带来隐患，建议设计时优化串并联设计。
（2）合理选择接头安装工艺
由于直流系统运行时会产生机械振动，因此水路连接处应采取合理的设计和相应措施，防止连接处松动而导致换流阀漏水。部分工程采用双指环卡口，部分采用单卡口。
（3）利用有效的试验检测手段
在换流阀组件组装完成之后出厂之前，要经过热循环试验和水压压力试验。现场设备安装完成之后，进行整个内冷系统的水压压力试验。
（4）便于运行维护
设计时应考虑到运行维护方便，尽量避免拆卸管道机械连接部位。
（5）管道设计应考虑防腐蚀
设计时考虑管道选材，虽然可以通过合理利用均压铂电极设计减轻电化学反应对管路材料造成腐蚀，但在管路选材方面，还应考虑其防电化学腐蚀能力的问题，尤其是与水接触的金属材料和水接头的密封圈等。
6 总结
内冷水系统是换流站最重要的系统之一，从各换流站内冷水系统发生的异常情况，甚至极闭锁事件可看出，内冷水系统发生泄漏是目前换流站面临的主要问题之一。因此，如何及时发现内冷水泄漏、及时采取措施，对换流站的稳定运行意义十分重大。本文一方面从泄漏探测策略着手，以某换流站为例分析了泄漏保护配置及合理性；另一方面从内冷水一次设备着手，分析最可能发生泄漏的部位。最后，结合两方面的分析结果，提出了一些建议和改进措施，并在实际运行中取得了很好的效果，如主泵泄漏探测已在各站广泛应用。希望本文提出的建议能对新建换流站内冷水系统一次结构设计及二次保护设置提供一定借鉴。
作者简介：
石硕（1984-），男，吉林省吉林市人，民 族：汉 职称：工程师，学历：大学本科，研究方向：直流换流站设备运维.
论文作者:石硕
论文发表刊物:《电力设备》2017年第32期
论文发表时间:2018/4/12
标签：水位论文; 冷水论文; 系统论文; 温度论文; 接点论文; 动作论文; 情况论文; 《电力设备》2017年第32期论文;