直流換流站換流閥清灰工具研制及應(yīng)用

高 煒，馬 龍，劉 冬

（國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東 青島 266300）

直流換流站換流閥清灰工具研制及應(yīng)用

高 煒，馬 龍，劉 冬

（國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東 青島 266300）

換流閥是交直流轉(zhuǎn)換的核心設(shè)備。膠東換流站自投運以來閥廳內(nèi)換流閥積灰現(xiàn)象嚴重，影響設(shè)備運行穩(wěn)定性，傳統(tǒng)的人工清灰方式風險高、難度大、耗時長，影響直流輸電系統(tǒng)供電時間。通過對膠東換流站換流閥積灰原因進行分析，對如何減少換流閥閥塔灰塵進行深入研究，研制出換流閥清灰工具。該工具主要由除靜電裝置、除塵裝置和灰塵回收裝置組成，可實現(xiàn)中和靜電、吹除灰塵和回收揚塵3項功能，能有效清除換流閥積灰，提高檢修工作效率。該工具已在國內(nèi)8個特、超高壓直流換流站成功應(yīng)用，經(jīng)濟效益顯著，具有較高的實用推廣價值。

換流閥；閥塔積灰；直流換流站；專用清灰工具

0 引言

換流閥是換流站內(nèi)交直流相互轉(zhuǎn)換的核心設(shè)備，懸吊安裝在密閉的閥廳中，主要功能是實現(xiàn)將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，或者將直流電轉(zhuǎn)換為交流電［1-3］。膠東換流站每個閥廳安裝有6個閥塔，在常年帶電運行過程中，運維人員發(fā)現(xiàn)換流閥閥塔內(nèi)外積附大量灰塵，嚴重影響換流閥安全穩(wěn)定運行，換流閥運行規(guī)程中要求定期對換流閥進行清灰。但由于換流閥設(shè)備的特殊結(jié)構(gòu)及傳統(tǒng)清灰方式的弊端，閥塔清灰一直是國內(nèi)直流換流站換流閥設(shè)備運維的一項難題。

1 換流閥積灰情況分析

1.1 換流閥積灰情況

如圖1所示，閥塔是換流閥的基本組成單元，它主要由閥模塊組成，閥模塊內(nèi)包含光纖、門極控制單元板卡、晶閘管、阻尼電阻、阻尼電容、陽極電抗器、冷卻水管等元器件，把多個閥模塊上下疊放串聯(lián)連接在一起，頂部和底部分別安裝屏蔽罩，就組成了一個閥塔［4-5］。

膠東換流站在年度檢修期間，發(fā)現(xiàn)雙極閥廳內(nèi)積灰現(xiàn)象嚴重，地面積灰厚度達2 mm，換流閥閥塔上也積落了大量灰塵，如圖2～3所示。閥塔內(nèi)部各元器件表面的灰塵如果長時間不清除，勢必會導致內(nèi)部各元件發(fā)熱、絕緣降低、壽命縮短，引起內(nèi)部元件放電，造成門極控制板卡和晶閘管故障，甚至會導致直流閉鎖。

圖1 換流閥組成

圖2 閥塔門極板積灰情況

圖3 閥塔光纖積灰情況

1.2 閥廳積灰原因分析

閥廳外墻壁封閉不嚴。閥廳內(nèi)、外墻壁采用彩鋼板組裝而成，連接處采用螺栓緊固，但是運行過程中發(fā)現(xiàn)，由于螺栓設(shè)置密度偏低，在兩個緊固螺栓間由于風吹日曬會造成彩鋼板輕微變形，出現(xiàn)縫隙，灰塵會從縫隙內(nèi)進入閥廳［6］。

閥廳外側(cè)大門存在縫隙。膠東換流站所處地帶大風天氣較多，大風卷帶塵土易從縫隙吹進閥廳。

閥廳空調(diào)過濾裝置存在問題。閥廳空調(diào)主要作用是調(diào)節(jié)閥廳環(huán)境溫度和濕度，并保持閥廳微正壓。按照直流換流站閥廳空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范的要求，當閥廳的壓差傳感器檢測到閥廳內(nèi)的正壓小于5 Pa時，可逐步開大新風閥的開度，直至閥廳內(nèi)壓差在5～10 Pa之間，機組送風凈壓為450 Pa［7］?，F(xiàn)場空調(diào)機房自控PLC觸摸屏顯示送風靜壓在180～220 Pa，閥廳微正壓顯示0.0 Pa和0.3 Pa，不滿足設(shè)計要求。

強靜電吸附。換流閥運行時強直流電場使得閥塔內(nèi)部各元器件具有強靜電［8-9］，使用靜電電壓測量儀測試靜電電壓高達830 V，靜電吸附空氣中的灰塵，積聚在閥塔內(nèi)部各元器件表面。

針對上述積灰原因，膠東換流站于年度檢修期間采取了一系列的措施：加固閥廳外墻，增加彩鋼板對接處緊固螺栓的密度，減小縫隙，同時在蓋縫板及壓型鋼板搭接處的縫隙打密封膠；閥廳外側(cè)大門增加門斗，同時對大門的縫隙、電纜溝蓋板縫隙等進行封堵；對極I空調(diào)空氣單元2號機組風機進行換型，風機功率由30 kW增至37 kW，對空調(diào)空氣單元新風口進行擴大，以滿足閥廳5～10 Pa微正壓要求［7］。采取上述措施后，積灰程度已有明顯減少，但是換流閥閥塔上依然積灰嚴重。

1.3 換流閥閥塔傳統(tǒng)清灰方式

目前國內(nèi)直流換流站采用的方式是由檢修人員乘坐閥廳升降車，鉆入閥塔內(nèi)部用電力紡、毛刷、超細纖維抹布對換流閥閥塔上的灰塵進行清理，或用抹布蘸酒精對元器件進行擦拭。膠東換流站換流閥為AREVA技術(shù)的H400型換流閥，閥塔尺寸長5.5 m，寬3.89 m，高13.92 m［10-11］，傳統(tǒng)清灰方式存在一些問題。

閥層橫截面積大（3.8 m×5.5 m），閥層內(nèi)部空間狹窄，如圖4所示，層間距只有40 cm。底層閥塔距離地面11 m，上層閥塔距離地面20 m，工作人員進入工作時，一是增加了作業(yè)人員的風險與監(jiān)護難度，二是易踩踏冷卻水管、光纖和接線，易造成光纖損壞、內(nèi)冷水管漏水等一系列嚴重后果。

圖4 閥塔層間距平視圖

由于元器件排列緊密，采用電力紡、毛刷、超細纖維抹布伸到縫隙內(nèi)進行灰塵清除，操作不當容易造成元器件損壞。

檢修人員數(shù)量多，但是閥塔傳統(tǒng)清灰方式費時費力，導致工作效率很低。

2 換流閥清灰工具研制

針對現(xiàn)場實際困難和需求，提出對傳統(tǒng)清灰工具進行技術(shù)改進。文獻［12］是以水泥、冶金等行業(yè)煙道煙塵除塵的靜電除塵器為研究對象，對自動控制系統(tǒng)的研究；文獻［13］是以高壓靜電除塵器為研究對象，對靜電除塵器電源進行的研究。以上參考文獻均未針對特、超高壓直流換流閥運行環(huán)境及環(huán)境對換流閥運行的影響進行研究分析。換流站閥廳的布局及結(jié)構(gòu)特點決定了靜電除塵器不適用于換流閥除塵。因此，研制了專用于換流閥閥塔清灰的工具，使用該工具可以消除閥塔靜電影響，實現(xiàn)在高空作業(yè)車上多角度對整個閥塔進行清灰，工作人員不需要鉆入閥塔內(nèi)部工作，既保證人員和設(shè)備安全，又顯著提高工作效率。

換流閥清灰工具主要由增壓系統(tǒng)和閥塔工作部分組成，如圖5所示，其中閥塔工作部分又包括換流閥清灰工具箱和除塵裝置。增壓系統(tǒng)的功能是增壓產(chǎn)生壓縮空氣，將出氣壓力控制在合理的范圍之內(nèi)，通過連接管路輸出到過濾系統(tǒng)，在過濾系統(tǒng)經(jīng)過過濾和干燥將氣體中的油、水分、雜質(zhì)等濾除掉，防止污染設(shè)備，靜電清除裝置將過濾后的純凈空氣電離成等量的正負離子，利用除塵裝置的噴氣口噴射到元器件表面，中和設(shè)備表面靜電的同時壓縮空氣將灰塵清除，最后利用灰塵回收裝置進行回收，避免二次污染。

圖5 換流閥清灰工具設(shè)計結(jié)構(gòu)

3 主要功能

3.1 消除靜電影響

換流閥閥塔在運行過程中產(chǎn)生強電場，直流系統(tǒng)停運后，換流閥閥塔依然帶有強靜電［8］，閥廳內(nèi)灰塵由于靜電作用，緊緊吸附在閥塔元器件表面，使用靜電測量儀測量靜電電壓值約為830 V，該工具通過離子發(fā)生器產(chǎn)生4 kV高壓施加于放電針上，將氣體電離出正負離子，同時利用高壓氣體發(fā)生裝置產(chǎn)生高壓氣體，將正負離子吹向元器件表面，將元器件表面靜電消除至低于50 V，消除靜電影響，靜電消除原理如圖6所示。

圖6 靜電消除原理

3.2 對氣體油水分離及過濾干燥

管路設(shè)置過濾系統(tǒng)，兩級過濾對高壓氣流進行油水分離、過濾干燥等處理，確保輸出氣體清潔無污，兩級過濾系統(tǒng)如圖7所示。

3.3 合理控制輸出氣壓

通過查閱資料和試驗，當輸出氣體壓力超過0.8 MPa、噴氣口與門極單元板距離小于10 cm時，門極單元板和分壓板出現(xiàn)明顯振動，為防止出現(xiàn)脫焊、接觸不良等現(xiàn)象，設(shè)計出口壓力閥，通過調(diào)節(jié)壓力閥將出氣壓力控制在0.6～0.7 MPa。

表1 2015年檢修閥模塊灰塵量統(tǒng)計 mg／cm2

圖7 兩級過濾系統(tǒng)

3.4 對灰塵進行二次回收

閥塔清灰工作進行過程中，由于閥塔內(nèi)部元器件較為密集，吹起來的灰塵將向四周擴散。向上騰起來的灰塵可能再次回落到表面，影響清灰效果，為了將騰起的灰塵盡可能收集，在噴氣口上方設(shè)計圓形灰塵回收管，如圖8所示，通過管路連接灰塵回收裝置，對騰起的灰塵進行二次回收。

圖8 環(huán)形吸口示意

4 現(xiàn)場應(yīng)用及經(jīng)濟效益分析

4.1 現(xiàn)場應(yīng)用

當板卡的積灰量為7.1 mg／cm2時，其運行溫度可達55℃的上限值。查閱歷年淸灰記錄得知，元器件年積灰量最嚴重時約為4.19 mg／cm2，為了確保淸灰效果，再增加20%的裕度，最終目標值定為將灰塵量清除至不超過：7.1-4.19×（1+20%）=2.07（mg／cm2）

2015年膠東換流站年度檢修期間，檢修人員利用換流閥清灰工具對雙極12個閥塔進行清灰，并隨機抽取12個閥塔中10個閥模塊進行效果檢查，如表1所示。檢修后對閥模塊內(nèi)各元器件表面剩余灰塵量進行采樣統(tǒng)計，經(jīng)統(tǒng)計元器件表面灰塵量平均已降至0.45 mg／cm2，遠遠低于目標值2.07 mg／cm2，滿足板卡正常運行要求。

工作人數(shù)由6人減至2人，每個閥模塊清灰工作時間由平均0.97 h減至0.20 h，換流閥閥塔清灰工作提前5 d完工。

4.2 經(jīng)濟效益分析

膠東換流站雙極閥廳共有12個閥塔，每個閥塔包含有18個閥模塊，采用傳統(tǒng)清灰方式清理每個閥模塊需要0.97 h，使用換流閥清灰工具開展清灰工作清理每個閥模塊需要0.20 h，按照銀東直流系統(tǒng)雙極電力輸送能力400萬kW／h計算，膠東換流站年度檢修提前1天送電即可創(chuàng)造經(jīng)濟效益0.662億元，2014—2015年每年經(jīng)濟效益可達3.64億元。即y=sntPF=18×12×（0.97-0.2）×400×0.546 9≈3.64（億元）。

式中：y為每年經(jīng)濟效益，億元；s為每個閥塔中閥模塊數(shù)量；n為閥塔數(shù)量；t為清掃每個閥模塊節(jié)省的時間，h；P為銀東直流系統(tǒng)雙極滿負荷每小時輸送電量，kWh；F為山東居民用電價格，元／kWh。

換流閥清灰工具目前已在國內(nèi)8個換流站使用（膠東、銀川東、哈密、鄭州等），并且對于不同電壓等級、不同結(jié)構(gòu)的換流閥具有極高的通用性，提高了換流閥檢修工作效率及工作安全性，具有較高的實用推廣價值。

5 結(jié)語

換流閥清灰工具的研制解決了目前國內(nèi)換流站換流閥閥塔清灰的難題，提高了閥塔內(nèi)設(shè)備元器件的絕緣水平，為直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供了保證。研制的換流閥清灰工具不僅適用于±660 kV直流輸電，而且適用于±800 kV、±1 100 kV及其他特高壓直流輸電等級，具有較高的實用推廣價值，為換流閥閥塔檢修工作標準化提供新思路。

［1］劉本粹.西北電網(wǎng)外送暨寧東—山東±660 kV高壓直流聯(lián)網(wǎng)示范工程淺議［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2010，26（1）：9-13.

［2］趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2011.

［3］韓民曉，文俊，徐永海，等.高壓直流輸電原理與運行［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

［4］廖敏，楊曉楠，欒洪洲，等.±660 kV直流輸電工程換流閥結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.電力建設(shè)，2011，32（7）：16-20.

［5］楊曉楠，湯廣福，彭玲，等.±660 kV直流輸電工程換流閥電氣設(shè)計綜述［J］.電力建設(shè)，2011，32（7）：11-15.

［6］張凌，楊金根，曾靜.特高壓閥廳電氣設(shè)計研究［J］.電力建設(shè)，2007，28（5）：12-16．

［7］張志軍，鄭勁，陳東.特高壓直流輸電工程高端閥廳空調(diào)通風系統(tǒng)的設(shè)計［J］.電力建設(shè)，2009，30（9）：15-19.

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［12］秦長葳.高壓靜電除塵自動控制系統(tǒng)研究［D］.淄博：山東理工大學，2013.

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Development and Application of Converter Valve Soot Cleaning Tools in DC Converter Station

GAO Wei，MA Long，LIU Dong
（State Grid Shandong Electric Power Maintenance Company，Qingdao 266300，China）

Converter valves are the core equipment of AC／DC conversion.Since the Jiaodong DC converter station has been put into operation，the equipment operating stability has been affected because of serious dust stratification on converter valves. The traditional manual soot cleaning method is high risk，difficult and time-consuming，which affects the power supply time of DC transmission system.By analyzing the reason of ash deposition of converter valves，a soot cleaning tool for converter valves is developed which consists of electrostatic removal device，dust removal device and dust recovery device.The tool can achieve three functions including electrostatic neutralization，blowing dust and dust recycling.It can effectively remove the ash of converter valve towers and can improve the efficiency of maintenance work.The tool has been successful applied in eight domestic HVDC converter stations， the application effect shows that it has a good economic benefit and high practical promotional value.

converter valve；valve sections dust；DC converter station；special cleaning tool

TM723

B

1007－9904（2017）02－0062－05

2016-10-17

高 煒（1982），男，中級工程師，從事特高壓直流換流站設(shè)備檢修工作；

馬 龍（1976），男，高級工程師，從事特高壓直流換流站管理工作；

劉 冬（1978），男，中級工程師，從事特高壓直流換流站管理工作。