高 煒，馬 龍，劉 冬

（國(guó)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(guó)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(yùn)以來(lái)閥廳內(nèi)換流閥積灰現(xiàn)象嚴(yán)重，影響設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性，傳統(tǒng)的人工清灰方式風(fēng)險(xiǎn)高、難度大、耗時(shí)長(zhǎng)，影響直流輸電系統(tǒng)供電時(shí)間。通過(guò)對(duì)膠東換流站換流閥積灰原因進(jìn)行分析，對(duì)如何減少換流閥閥塔灰塵進(jìn)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(shí)現(xiàn)中和靜電、吹除灰塵和回收揚(yáng)塵3項(xiàng)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(guó)內(nèi)8個(gè)特、超高壓直流換流站成功應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)效益顯著，具有較高的實(shí)用推廣價(jià)值。

換流閥；閥塔積灰；直流換流站；專(zhuān)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(shí)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(gè)閥廳安裝有6個(gè)閥塔，在常年帶電運(yùn)行過(guò)程中，運(yùn)維人員發(fā)現(xiàn)換流閥閥塔內(nèi)外積附大量灰塵，嚴(yán)重影響換流閥安全穩(wěn)定運(yùn)行，換流閥運(yùn)行規(guī)程中要求定期對(duì)換流閥進(jìn)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(guó)內(nèi)直流換流站換流閥設(shè)備運(yùn)維的一項(xiàng)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(mén)極控制單元板卡、晶閘管、阻尼電阻、阻尼電容、陽(yáng)極電抗器、冷卻水管等元器件，把多個(gè)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(gè)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(yán)重，地面積灰厚度達(dá)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(zhǎng)時(shí)間不清除，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)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(mén)極控制板卡和晶閘管故障，甚至?xí)?dǎo)致直流閉鎖。

圖1 換流閥組成

圖2 閥塔門(mén)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(yán)。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(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于螺栓設(shè)置密度偏低，在兩個(gè)緊固螺栓間由于風(fēng)吹日曬會(huì)造成彩鋼板輕微變形，出現(xiàn)縫隙，灰塵會(huì)從縫隙內(nèi)進(jìn)入閥廳［6］。

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

閥廳空調(diào)過(guò)濾裝置存在問(wèn)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(jì)規(guī)范的要求，當(dāng)閥廳的壓差傳感器檢測(cè)到閥廳內(nèi)的正壓小于5 Pa時(shí)，可逐步開(kāi)大新風(fēng)閥的開(kāi)度，直至閥廳內(nèi)壓差在5～10 Pa之間，機(jī)組送風(fēng)凈壓為450 Pa［7］?，F(xiàn)場(chǎng)空調(diào)機(jī)房自控PLC觸摸屏顯示送風(fēng)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(jì)要求。

強(qiáng)靜電吸附。換流閥運(yùn)行時(shí)強(qiáng)直流電場(chǎng)使得閥塔內(nèi)部各元器件具有強(qiáng)靜電［8-9］，使用靜電電壓測(cè)量?jī)x測(cè)試靜電電壓高達(dá)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(duì)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(duì)接處緊固螺栓的密度，減小縫隙，同時(shí)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(mén)增加門(mén)斗，同時(shí)對(duì)大門(mén)的縫隙、電纜溝蓋板縫隙等進(jìn)行封堵；對(duì)極I空調(diào)空氣單元2號(hào)機(jī)組風(fēng)機(jī)進(jìn)行換型，風(fēng)機(jī)功率由30 kW增至37 kW，對(duì)空調(diào)空氣單元新風(fēng)口進(jìn)行擴(kuò)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(yán)重。

1.3 換流閥閥塔傳統(tǒng)清灰方式

目前國(guó)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(chē)，鉆入閥塔內(nèi)部用電力紡、毛刷、超細(xì)纖維抹布對(duì)換流閥閥塔上的灰塵進(jìn)行清理，或用抹布蘸酒精對(duì)元器件進(jìn)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(zhǎng)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(wèn)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(jìn)入工作時(shí)，一是增加了作業(yè)人員的風(fēng)險(xiǎn)與監(jiān)護(hù)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(yán)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(xì)纖維抹布伸到縫隙內(nèi)進(jìn)行灰塵清除，操作不當(dāng)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(fèi)時(shí)費(fèi)力，導(dǎo)致工作效率很低。

2 換流閥清灰工具研制

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際困難和需求，提出對(duì)傳統(tǒng)清灰工具進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。文獻(xiàn)［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(duì)象，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究；文獻(xiàn)［13］是以高壓靜電除塵器為研究對(duì)象，對(duì)靜電除塵器電源進(jìn)行的研究。以上參考文獻(xiàn)均未針對(duì)特、超高壓直流換流閥運(yùn)行環(huán)境及環(huán)境對(duì)換流閥運(yùn)行的影響進(jìn)行研究分析。換流站閥廳的布局及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了靜電除塵器不適用于換流閥除塵。因此，研制了專(zhuān)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(shí)現(xiàn)在高空作業(yè)車(chē)上多角度對(duì)整個(gè)閥塔進(jìn)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(guò)連接管路輸出到過(guò)濾系統(tǒng)，在過(guò)濾系統(tǒng)經(jīng)過(guò)過(guò)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(guò)濾后的純凈空氣電離成等量的正負(fù)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(shí)壓縮空氣將灰塵清除，最后利用灰塵回收裝置進(jìn)行回收，避免二次污染。

圖5 換流閥清灰工具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

3 主要功能

3.1 消除靜電影響

換流閥閥塔在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)，直流系統(tǒng)停運(yùn)后，換流閥閥塔依然帶有強(qiáng)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(cè)量?jī)x測(cè)量靜電電壓值約為830 V，該工具通過(guò)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(fù)離子，同時(shí)利用高壓氣體發(fā)生裝置產(chǎn)生高壓氣體，將正負(fù)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(duì)氣體油水分離及過(guò)濾干燥

管路設(shè)置過(guò)濾系統(tǒng)，兩級(jí)過(guò)濾對(duì)高壓氣流進(jìn)行油水分離、過(guò)濾干燥等處理，確保輸出氣體清潔無(wú)污，兩級(jí)過(guò)濾系統(tǒng)如圖7所示。

3.3 合理控制輸出氣壓

通過(guò)查閱資料和試驗(yàn)，當(dāng)輸出氣體壓力超過(guò)0.8 MPa、噴氣口與門(mén)極單元板距離小于10 cm時(shí)，門(mén)極單元板和分壓板出現(xiàn)明顯振動(dòng)，為防止出現(xiàn)脫焊、接觸不良等現(xiàn)象，設(shè)計(jì)出口壓力閥，通過(guò)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(jì) mg／cm2

圖7 兩級(jí)過(guò)濾系統(tǒng)

3.4 對(duì)灰塵進(jìn)行二次回收

閥塔清灰工作進(jìn)行過(guò)程中，由于閥塔內(nèi)部元器件較為密集，吹起來(lái)的灰塵將向四周擴(kuò)散。向上騰起來(lái)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(jì)圓形灰塵回收管，如圖8所示，通過(guò)管路連接灰塵回收裝置，對(duì)騰起的灰塵進(jìn)行二次回收。

圖8 環(huán)形吸口示意

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)效益分析

4.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

當(dāng)板卡的積灰量為7.1 mg／cm2時(shí)，其運(yùn)行溫度可達(dá)55℃的上限值。查閱歷年淸灰記錄得知，元器件年積灰量最嚴(yán)重時(shí)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(biāo)值定為將灰塵量清除至不超過(guò)：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(duì)雙極12個(gè)閥塔進(jìn)行清灰，并隨機(jī)抽取12個(gè)閥塔中10個(gè)閥模塊進(jìn)行效果檢查，如表1所示。檢修后對(duì)閥模塊內(nèi)各元器件表面剩余灰塵量進(jìn)行采樣統(tǒng)計(jì)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)元器件表面灰塵量平均已降至0.45 mg／cm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于目標(biāo)值2.07 mg／cm2，滿足板卡正常運(yùn)行要求。

工作人數(shù)由6人減至2人，每個(gè)閥模塊清灰工作時(shí)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(jì)效益分析

膠東換流站雙極閥廳共有12個(gè)閥塔，每個(gè)閥塔包含有18個(gè)閥模塊，采用傳統(tǒng)清灰方式清理每個(gè)閥模塊需要0.97 h，使用換流閥清灰工具開(kāi)展清灰工作清理每個(gè)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(wàn)kW／h計(jì)算，膠東換流站年度檢修提前1天送電即可創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益0.662億元，2014—2015年每年經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)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(jì)效益，億元；s為每個(gè)閥塔中閥模塊數(shù)量；n為閥塔數(shù)量；t為清掃每個(gè)閥模塊節(jié)省的時(shí)間，h；P為銀東直流系統(tǒng)雙極滿負(fù)荷每小時(shí)輸送電量，kWh；F為山東居民用電價(jià)格，元／kWh。

換流閥清灰工具目前已在國(guó)內(nèi)8個(gè)換流站使用（膠東、銀川東、哈密、鄭州等），并且對(duì)于不同電壓等級(jí)、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(shí)用推廣價(jià)值。

5 結(jié)語(yǔ)

換流閥清灰工具的研制解決了目前國(guó)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(yùn)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(jí)，具有較高的實(shí)用推廣價(jià)值，為換流閥閥塔檢修工作標(biāo)準(zhǔn)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.

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

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［10］國(guó)家電網(wǎng)公司運(yùn)維檢修部.直流換流站運(yùn)維技能培訓(xùn)教材：換流閥及閥控系統(tǒng)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2012.

［11］中國(guó)電力科學(xué)研究院.青島換流站換流閥設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.北京，2010.

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

［13］廖谷然.72 kV／1.0 A靜電除塵用高頻高壓電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.太原：太原理工大學(xué)，2013.

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(jí)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(jí)工程師，從事特高壓直流換流站管理工作；

劉 冬（1978），男，中級(jí)工程師，從事特高壓直流換流站管理工作。