基于煙霧和紫外檢測的高壓直流換流閥火災(zāi)探測系統(tǒng)

王 抗，鄭衛(wèi)紅，劉建國，常聚忠

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司檢修公司，湖北 武漢 430050）

0 引言

高壓直流換流閥（可控硅）是直流輸電工程的“心臟”，可實現(xiàn)交流和直流的變換功能。換流閥長期運行于高電壓、大電流，任何元部件的故障或電氣連接不良，都有可能引起局部過熱，絕緣被破壞，產(chǎn)生電弧和引起失火。世界上投運的直流輸電工程曾發(fā)生多起換流閥著火事故，因此必須換流閥必須配置先進可靠的防火系統(tǒng)[1]。

1 換流閥結(jié)構(gòu)簡介

目前直流輸電工程的換流閥塔均采用懸吊式設(shè)計，即換流閥通過絕緣子懸吊在閥廳頂部的鋼梁上。換流閥塔主要包括晶閘管組件、電抗器組件、屏蔽罩、懸吊支撐結(jié)構(gòu)、閥避雷器等，通過PVDF冷卻水管、連接母線、光纜等實現(xiàn)與冷卻系統(tǒng)、直流輸電系統(tǒng)其它一次設(shè)備以及二次控制系統(tǒng)的連接。

每個晶閘管組件由晶閘管、RC阻尼回路、直流均壓電阻、TCU、散熱器、聚偏氟乙?。≒VDF）水管、夾緊帶（玻璃纖維環(huán)氧樹脂）、電容支架、鋁橫梁及相關(guān)導(dǎo)流回路連接而成，其物理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 換流閥火災(zāi)危險分析

換流閥在運行中產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致晶閘管組件內(nèi)元部件結(jié)溫升高。而換流閥組件又是由大量的塑料、合成材料和非導(dǎo)電體組成，極易引起元部件嚴重發(fā)熱從而引發(fā)著火燃燒。對閥塔而言，燃燒會自然惡化形成煙囪效應(yīng)。因此換流閥組件的元部件在前期設(shè)計階段必須具備可靠的防火性能，在閥塔內(nèi)任何初期的燃燒在換流閥保護跳閘之前應(yīng)不會蔓延，并且一旦斷開電源后火勢會自行熄滅[1]。同時配置靈敏性極高的火災(zāi)探測系統(tǒng)，在發(fā)生火災(zāi)后立即閉鎖換流閥。

圖1 換流閥晶閘管組件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Converter valve thyristor assembly structure

2.1 換流閥廳結(jié)構(gòu)分析

換流閥塔懸掛在閥廳內(nèi)，閥廳為一個封閉的環(huán)境。從失火看運行設(shè)備封閉意味著一旦失火，毒氣、腐蝕性煙霧和熱量不能擴散并隨即影響其他設(shè)備，這時如果閥廳的結(jié)構(gòu)材料有助于火勢加大，則會使設(shè)備更加受到熱量高煙霧的損害[1]。

為減少閥廳失火幾率，在閥廳中應(yīng)盡可能采用不能燃燒的結(jié)構(gòu)，如果不能實現(xiàn)，則須同時考慮滅火措施，采用能防止著火爆炸的結(jié)構(gòu)。對于閥廳結(jié)構(gòu)，不僅要規(guī)定采用非可燃性材料，還應(yīng)要求結(jié)構(gòu)材料具備耐火性能[1]。閥廳的建筑結(jié)構(gòu)同時考慮既能助減火勢又能便于維護，同時安裝排煙系統(tǒng)，使之能在滅火時排除煙霧。閥廳應(yīng)配置空調(diào)系統(tǒng)，將閥廳相對濕度控制在60%以下。

2.2 換流閥防火分析

換流閥在電氣設(shè)計、材料選擇和機械設(shè)計方面必須采用提高換流閥防火性能的措施[1]。

換流閥材料選擇時，充分考慮材料的阻燃性能，采用無油化設(shè)計。閥內(nèi)的非金屬材料都是阻燃的，并具有自熄滅性能。在不降低材料其它必備的物理特性（比如機械強度和電氣絕緣特性等）的條件下，所有塑料中添加有足量的三氫化鋁(ATH)阻燃劑。換流閥所選的非金屬材料具有自熄滅特性，這意味著在燃燒源切斷后，火會迅速熄滅，并且燃燒的滴落物不會造成火勢蔓延[1]。光纖放置在光纖槽內(nèi)，光纖槽采用的是阻燃材料，而且在光纖槽的底部和光纖與晶閘管級的連接處，還有阻燃的密封膨脹材料，以隔絕火的擴散。表1為換流閥防火措施分析表，這些措施可以保證光纖的安全使用。

3 火災(zāi)探測系統(tǒng)介紹

為提高換流閥和閥廳的防火能力，在閥廳內(nèi)必須裝設(shè)完善的火災(zāi)探測系統(tǒng)，其中基于空氣采樣原理的極早期煙霧探測系統(tǒng)（VESDA系統(tǒng)）和基于紫外光檢測原理的探測系統(tǒng)（紫外探測系統(tǒng)）獲得廣泛的應(yīng)用。

3.1 極早期煙霧探測原理

VESDA是“Very Early Smoke Detection Apparatus”的縮寫，即“早期煙霧探測設(shè)備”，通常也稱為吸氣式或空氣采樣式煙霧探測器。該系統(tǒng)主要基于光學(xué)空氣監(jiān)測技術(shù)和微處理器控制技術(shù)，在火災(zāi)初期能靈敏地探測煙霧、電弧生成物以及空氣中的燃燒生成微粒，產(chǎn)生報警，從而消除火災(zāi)隱患，使火災(zāi)的損失降至最小[1]。

VESDA系統(tǒng)是一種收集空氣采樣的管網(wǎng)，并將采樣數(shù)據(jù)送到遠方進行分析的早期火警探測裝置。該裝置通過一個自帶的過濾裝置，濾除空氣中常規(guī)大分子及粉塵，將燃燒前期產(chǎn)生的大量小分子微粒收集起來，檢測這些濃度極小，直徑小于微米級微粒的存在，探測出早期火情。VESDA系統(tǒng)可與中央火災(zāi)報警控制裝置進行信息交換，同時將信息輸出送至控制室后臺管理機，并產(chǎn)生報警，然后通過中央火災(zāi)報警控制裝置聯(lián)動相應(yīng)的消防系統(tǒng)。

表1 換流閥防火措施分析表Tab.1 Analysis of fire protection measures for converter valve

3.2 紫外光檢測原理

物質(zhì)燃燒時，在產(chǎn)生煙霧和放出熱量的同時，也產(chǎn)生可見或不可見的光輻射?；鹧嫣綔y器又稱感光式火災(zāi)探測器，它是用于響應(yīng)火災(zāi)的光特性。即擴散火焰燃燒的光照強度和火焰的閃爍頻率的一種火災(zāi)探測器。根據(jù)火焰的光特性，紫外光探測器對波長較短的光輻射比較敏感。紫外光探測器是敏感高強度火焰發(fā)射紫外光譜的一種探測器，它使用一種固態(tài)物質(zhì)作為敏感元件。

紫外光探測器對火焰發(fā)射的紫外線輻射響應(yīng)迅速，考慮到太陽輻射大量的紫外線成分，因此紫外光探測更適應(yīng)安裝在室內(nèi)。為了避免煙霧對探測器的影響，紫外光探測器應(yīng)安裝在距離閥廳頂面1 m的位置。

3.3 火災(zāi)探測器配置原則和要求

極早期煙霧探測系統(tǒng)對煙霧敏感，紫外探測系統(tǒng)對明火及電弧敏感。兩種不同原理的探測器應(yīng)能滿足閥塔設(shè)備全覆蓋為原則進行布局。當(dāng)閥塔設(shè)備著火時，應(yīng)有兩種不同原理的探測器同時檢測到火災(zāi)時，允許動作跳閘（閉鎖高壓直流系統(tǒng)）。采用極早期煙霧報警和紫外探測兩類報警信號同時發(fā)生作為閉鎖直流的判據(jù)，既可以防止誤動，也可以防止拒動。任意探測器監(jiān)測到異常時應(yīng)能夠及時發(fā)出報警信息。

閥廳內(nèi)極早期煙霧探測系統(tǒng)的采樣管道布置，以探測范圍覆蓋閥廳全部面積為原則，至少要有2個探測器檢測到同一處的煙霧。在閥廳空調(diào)進風(fēng)口處裝設(shè)煙霧探測探頭，啟動周邊環(huán)境背景煙霧濃度參考值設(shè)定功能，防止外部燒秸稈等產(chǎn)生的煙霧引起閥廳極早期煙霧探測系統(tǒng)誤動。極早期煙霧探測系統(tǒng)一般分為 4級報警，分別是警告、行動、火警1和火警2，采用火警2(最高級別報警)作為跳閘信號。

閥廳紫外探測系統(tǒng)的探頭布置完全覆蓋閥廳面積，閥層中有火焰產(chǎn)生時，發(fā)出的明火或弧光能夠至少被2個探測器檢測到。

3.4 火災(zāi)探測系統(tǒng)保護配置

直流換流站每極閥廳火災(zāi)探測系統(tǒng)保護配置由極早期煙霧探測器、紫外探測器、電源回路、信號擴展傳輸回路、火災(zāi)報警判斷邏輯等組成。

閥廳火災(zāi)探測系統(tǒng)一般主要配置為VESDA煙霧探測器8個，紫外火焰探測器10個。其中8個VESDA煙霧探測器中的7個安裝于閥廳內(nèi)6個閥塔頂部鋼構(gòu)架上，以實現(xiàn)對閥廳內(nèi)特別是閥塔上方空間的煙霧檢測；1個安裝于閥廳空調(diào)的進風(fēng)口風(fēng)道內(nèi)，實現(xiàn)對進入閥廳內(nèi)空氣的煙霧檢測功能。10個紫外火焰探測器，均勻分布在閥廳四周的墻壁上，實現(xiàn)對相應(yīng)區(qū)域內(nèi)紫外火焰的檢測功能。閥廳火災(zāi)探測器分布圖如圖2所示。

VESDA系統(tǒng)包括VLP激光探測器及采樣管網(wǎng)、VESDA中央管理器Programmer及顯示模塊Display、后臺管理機系統(tǒng)、消防系統(tǒng)總控制盤系統(tǒng)。紫外光探測器由紫外光探測器、監(jiān)視模塊、消防模塊端子箱和控制模塊組成。

圖2 閥廳火災(zāi)探測器分布圖Fig.2 Valve hall fire detector distribution map

每個VESDA探測器或每個紫外探測器檢測到的信號輸出3個火警硬接點，一路送至火災(zāi)監(jiān)視報警系統(tǒng)，另兩路串聯(lián)后由就地的VESDA擴展箱分為A、B兩路110 V直流信號，通過閥廳火災(zāi)報警匯控箱分別送至閥廳消防接口屏的A、B裝置，然后送給相應(yīng)極的高壓直流控制保護系統(tǒng)。極早期煙霧探測系統(tǒng)和紫外探測系統(tǒng)發(fā)出的跳閘信號直接送到冗余的直流控制保護系統(tǒng)(不經(jīng)過火災(zāi)中央報警器)，由直流控制保護系統(tǒng)執(zhí)行跳閘閉鎖命令。

直流換流站閥廳火災(zāi)保護跳閘邏輯考慮兩種情況：一是閥廳內(nèi)所有極早期煙霧探測傳感器有一個檢測到煙霧報警，且同時閥廳內(nèi)所有紫外探頭中任一個檢測到弧光，當(dāng)上述兩個條件同時滿足時允許跳閘出口；二是若進風(fēng)口處極早期傳感器監(jiān)測到室外煙霧時，閉鎖極早期系統(tǒng)的跳閘出口回路（避免因閥廳外環(huán)境因素引起火災(zāi)報警系統(tǒng)誤動）。在進風(fēng)口處極早期傳感器監(jiān)測到煙霧的情況下，若有2個及以上紫外探頭同時發(fā)出報警，仍允許跳閘出口。

4 案例分析

4.1 換流閥觸發(fā)板TFM著火分析

2013年 05月25日某換流站極Ⅰ高端閥組“閥廳空氣采樣、晶閘管BOD動作”報警。運維人員現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)極Ⅰ高端閥組Y/Y-B相第二層（從上向下）閥塔有零星火光，立即手動緊急停運極Ⅰ高端換流閥。

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)極Ⅰ高端Y/Y B相閥塔閥組件2個可控硅、10個TFM觸發(fā)板及框架、68根觸發(fā)回報光纖、光纖保護套等燒毀，1根水冷電阻水管損壞。經(jīng)分析認為起火點為極Ⅰ高端Y/Y B相閥塔第二層（從上至下）第45號TFM板卡，該TFM板卡起火后元件損壞造成放電，導(dǎo)致相鄰TFM板卡和光纖著火以及第43號晶閘管水冷電阻冷卻水管燒損漏水。

此次故障暴露出的問題為：一是換流閥觸發(fā)板TFM存在質(zhì)量問題，設(shè)計方面取能回路串接在晶閘管阻尼回路中，工作電壓較高、工作電流較大，且保護設(shè)計不充分，存在TFM板無保護的情況，導(dǎo)致元件發(fā)熱起火；二是觸發(fā)板TFM阻燃設(shè)計不充分，當(dāng)單個TFM板故障起火時，不能及時切除故障回路或隔離故障元件，反而造成火勢橫向、縱向蔓延；三是觸發(fā)板TFM運行溫度較高存在安全隱患；四是閥廳火災(zāi)消防系統(tǒng)僅投入報警功能，未投入跳閘出口功能。

4.2 換流閥阻尼電容著火分析

2013年06月15日某換流站極Ⅱ低端換流閥“閥廳空氣采樣、晶閘管BOD動作”報警。運維人員現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)極Ⅱ低端Y/D A相閥塔第二層有火苗，立即手動緊急停運極Ⅱ低端換流閥。

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)極Ⅱ低端Y/D A相閥塔A4晶閘管阻尼電容故障開裂，臨近3只電容器有灼傷，觸發(fā)回報光纖30根燒損。經(jīng)分析認為故障起始點為A4晶閘管阻尼電容器，該電容器內(nèi)部故障導(dǎo)致鋁質(zhì)外殼開裂后起火，進而引起相鄰A5組件觸發(fā)和回報光纖燒損，附近3個電容器外殼灼傷。

本次故障直接原因為電容器生產(chǎn)質(zhì)量問題，未考慮防爆設(shè)計，故障時無法及時退出運行，最終將造成電容器爆裂。應(yīng)當(dāng)安裝具有防爆設(shè)計的電容器：當(dāng)電容器短路、發(fā)熱造成內(nèi)部氣壓達到一定值時，電容器外殼防爆褶皺圈被拉伸，內(nèi)部電容器單元間的硬連接線被拉斷，故障電容器將及時退出運行，避免故障擴大。

此次故障暴露出的問題為：一是阻尼電容器在設(shè)計、選材、工藝等方面存在質(zhì)量缺陷，未充分考慮防爆、阻燃、損耗等設(shè)計；二是閥廳火災(zāi)消防系統(tǒng)僅投入報警功能，未投入跳閘出口功能，在檢測器檢測到火苗時，未及時動作出口閉鎖換流閥。

5 結(jié)論

極早期煙霧探測系統(tǒng)和紫外探測系統(tǒng)是目前國內(nèi)直流換流站閥廳比較普遍采用的設(shè)備，通過近幾年的運行經(jīng)驗，均起到了比較好的實踐效果。通過完善的閉鎖邏輯判據(jù)可以有效地防止誤跳閘，但是探測器屬于精密儀器，易受周圍環(huán)境的影響，在實際運行中存在誤報警的風(fēng)險，因此需要運維值班人員及時采取有效的隔離措施，防止引起設(shè)備誤跳閘。同時每年利用設(shè)備停電的有利時機，由專業(yè)人士采用專業(yè)儀器對探測器的性能進行檢查，以確保其正常運行，以此提高高壓直流系統(tǒng)可靠運行性能。

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[1]趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù)[M].北京：中國電力出版社,2004.ZHAO Wanjun.HVDC engineering technology[M].Beijing：China Electric Power Press,2004.