王 抗，鄭衛(wèi)紅，劉建國(guó)，常聚忠

（國(guó)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(shí)現(xiàn)交流和直流的變換功能。換流閥長(zhǎng)期運(yùn)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(guò)熱，絕緣被破壞，產(chǎn)生電弧和引起失火。世界上投運(yùn)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(jìn)可靠的防火系統(tǒng)[1]。

1 換流閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

目前直流輸電工程的換流閥塔均采用懸吊式設(shè)計(jì)，即換流閥通過(guò)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(guò)PVDF冷卻水管、連接母線、光纜等實(shí)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(gè)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(shù)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(xiǎn)分析

換流閥在運(yùn)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(yán)重發(fā)熱從而引發(fā)著火燃燒。對(duì)閥塔而言，燃燒會(huì)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(jì)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(hù)跳閘之前應(yīng)不會(huì)蔓延，并且一旦斷開(kāi)電源后火勢(shì)會(huì)自行熄滅[1]。同時(shí)配置靈敏性極高的火災(zāi)探測(cè)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(gè)封閉的環(huán)境。從失火看運(yùn)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(kuò)散并隨即影響其他設(shè)備，這時(shí)如果閥廳的結(jié)構(gòu)材料有助于火勢(shì)加大，則會(huì)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(shí)現(xiàn)，則須同時(shí)考慮滅火措施，采用能防止著火爆炸的結(jié)構(gòu)。對(duì)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(shí)考慮既能助減火勢(shì)又能便于維護(hù)，同時(shí)安裝排煙系統(tǒng)，使之能在滅火時(shí)排除煙霧。閥廳應(yīng)配置空調(diào)系統(tǒng)，將閥廳相對(duì)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(jì)、材料選擇和機(jī)械設(shè)計(jì)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(shí)，充分考慮材料的阻燃性能，采用無(wú)油化設(shè)計(jì)。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(jī)械強(qiáng)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(huì)迅速熄滅，并且燃燒的滴落物不會(huì)造成火勢(shì)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(jí)的連接處，還有阻燃的密封膨脹材料，以隔絕火的擴(kuò)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(cè)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(cè)系統(tǒng)，其中基于空氣采樣原理的極早期煙霧探測(cè)系統(tǒng)（VESDA系統(tǒng)）和基于紫外光檢測(cè)原理的探測(cè)系統(tǒng)（紫外探測(cè)系統(tǒng)）獲得廣泛的應(yīng)用。

3.1 極早期煙霧探測(cè)原理

VESDA是“Very Early Smoke Detection Apparatus”的縮寫(xiě)，即“早期煙霧探測(cè)設(shè)備”，通常也稱為吸氣式或空氣采樣式煙霧探測(cè)器。該系統(tǒng)主要基于光學(xué)空氣監(jiān)測(cè)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(cè)煙霧、電弧生成物以及空氣中的燃燒生成微粒，產(chǎn)生報(bào)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(yuǎn)方進(jìn)行分析的早期火警探測(cè)裝置。該裝置通過(guò)一個(gè)自帶的過(guò)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(lái)，檢測(cè)這些濃度極小，直徑小于微米級(jí)微粒的存在，探測(cè)出早期火情。VESDA系統(tǒng)可與中央火災(zāi)報(bào)警控制裝置進(jìn)行信息交換，同時(shí)將信息輸出送至控制室后臺(tái)管理機(jī)，并產(chǎn)生報(bào)警，然后通過(guò)中央火災(zāi)報(bào)警控制裝置聯(lián)動(dòng)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(cè)原理

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

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

3.3 火災(zāi)探測(cè)器配置原則和要求

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

閥廳內(nèi)極早期煙霧探測(cè)系統(tǒng)的采樣管道布置，以探測(cè)范圍覆蓋閥廳全部面積為原則，至少要有2個(gè)探測(cè)器檢測(cè)到同一處的煙霧。在閥廳空調(diào)進(jìn)風(fēng)口處裝設(shè)煙霧探測(cè)探頭，啟動(dòng)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(cè)系統(tǒng)誤動(dòng)。極早期煙霧探測(cè)系統(tǒng)一般分為 4級(jí)報(bào)警，分別是警告、行動(dòng)、火警1和火警2，采用火警2(最高級(jí)別報(bào)警)作為跳閘信號(hào)。

閥廳紫外探測(cè)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(shí)，發(fā)出的明火或弧光能夠至少被2個(gè)探測(cè)器檢測(cè)到。

3.4 火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)保護(hù)配置

直流換流站每極閥廳火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)保護(hù)配置由極早期煙霧探測(cè)器、紫外探測(cè)器、電源回路、信號(hào)擴(kuò)展傳輸回路、火災(zāi)報(bào)警判斷邏輯等組成。

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

VESDA系統(tǒng)包括VLP激光探測(cè)器及采樣管網(wǎng)、VESDA中央管理器Programmer及顯示模塊Display、后臺(tái)管理機(jī)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)總控制盤(pán)系統(tǒng)。紫外光探測(cè)器由紫外光探測(cè)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(cè)器分布圖Fig.2 Valve hall fire detector distribution map

每個(gè)VESDA探測(cè)器或每個(gè)紫外探測(cè)器檢測(cè)到的信號(hào)輸出3個(gè)火警硬接點(diǎn)，一路送至火災(zāi)監(jiān)視報(bào)警系統(tǒng)，另兩路串聯(lián)后由就地的VESDA擴(kuò)展箱分為A、B兩路110 V直流信號(hào)，通過(guò)閥廳火災(zāi)報(bào)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(hù)系統(tǒng)。極早期煙霧探測(cè)系統(tǒng)和紫外探測(cè)系統(tǒng)發(fā)出的跳閘信號(hào)直接送到冗余的直流控制保護(hù)系統(tǒng)(不經(jīng)過(guò)火災(zāi)中央報(bào)警器)，由直流控制保護(hù)系統(tǒng)執(zhí)行跳閘閉鎖命令。

直流換流站閥廳火災(zāi)保護(hù)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(cè)傳感器有一個(gè)檢測(cè)到煙霧報(bào)警，且同時(shí)閥廳內(nèi)所有紫外探頭中任一個(gè)檢測(cè)到弧光，當(dāng)上述兩個(gè)條件同時(shí)滿足時(shí)允許跳閘出口；二是若進(jìn)風(fēng)口處極早期傳感器監(jiān)測(cè)到室外煙霧時(shí)，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(bào)警系統(tǒng)誤動(dòng)）。在進(jìn)風(fēng)口處極早期傳感器監(jiān)測(cè)到煙霧的情況下，若有2個(gè)及以上紫外探頭同時(shí)發(fā)出報(bào)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(dòng)作”報(bào)警。運(yùn)維人員現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)緊急停運(yùn)極Ⅰ高端換流閥。

現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)極Ⅰ高端Y/Y B相閥塔閥組件2個(gè)可控硅、10個(gè)TFM觸發(fā)板及框架、68根觸發(fā)回報(bào)光纖、光纖保護(hù)套等燒毀，1根水冷電阻水管損壞。經(jīng)分析認(rèn)為起火點(diǎn)為極Ⅰ高端Y/Y B相閥塔第二層（從上至下）第45號(hào)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(hào)晶閘管水冷電阻冷卻水管燒損漏水。

此次故障暴露出的問(wèn)題為：一是換流閥觸發(fā)板TFM存在質(zhì)量問(wèn)題，設(shè)計(jì)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(hù)設(shè)計(jì)不充分，存在TFM板無(wú)保護(hù)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(jì)不充分，當(dāng)單個(gè)TFM板故障起火時(shí)，不能及時(shí)切除故障回路或隔離故障元件，反而造成火勢(shì)橫向、縱向蔓延；三是觸發(fā)板TFM運(yùn)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(bào)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(dòng)作”報(bào)警。運(yùn)維人員現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)緊急停運(yùn)極Ⅱ低端換流閥。

現(xiàn)場(chǎng)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(kāi)裂，臨近3只電容器有灼傷，觸發(fā)回報(bào)光纖30根燒損。經(jīng)分析認(rèn)為故障起始點(diǎn)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(kāi)裂后起火，進(jìn)而引起相鄰A5組件觸發(fā)和回報(bào)光纖燒損，附近3個(gè)電容器外殼灼傷。

本次故障直接原因?yàn)殡娙萜魃a(chǎn)質(zhì)量問(wèn)題，未考慮防爆設(shè)計(jì)，故障時(shí)無(wú)法及時(shí)退出運(yùn)行，最終將造成電容器爆裂。應(yīng)當(dāng)安裝具有防爆設(shè)計(jì)的電容器：當(dāng)電容器短路、發(fā)熱造成內(nèi)部氣壓達(dá)到一定值時(shí)，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(shí)退出運(yùn)行，避免故障擴(kuò)大。

此次故障暴露出的問(wèn)題為：一是阻尼電容器在設(shè)計(jì)、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(jì)；二是閥廳火災(zāi)消防系統(tǒng)僅投入報(bào)警功能，未投入跳閘出口功能，在檢測(cè)器檢測(cè)到火苗時(shí)，未及時(shí)動(dòng)作出口閉鎖換流閥。

5 結(jié)論

極早期煙霧探測(cè)系統(tǒng)和紫外探測(cè)系統(tǒng)是目前國(guó)內(nèi)直流換流站閥廳比較普遍采用的設(shè)備，通過(guò)近幾年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，均起到了比較好的實(shí)踐效果。通過(guò)完善的閉鎖邏輯判據(jù)可以有效地防止誤跳閘，但是探測(cè)器屬于精密儀器，易受周圍環(huán)境的影響，在實(shí)際運(yùn)行中存在誤報(bào)警的風(fēng)險(xiǎn)，因此需要運(yùn)維值班人員及時(shí)采取有效的隔離措施，防止引起設(shè)備誤跳閘。同時(shí)每年利用設(shè)備停電的有利時(shí)機(jī)，由專業(yè)人士采用專業(yè)儀器對(duì)探測(cè)器的性能進(jìn)行檢查，以確保其正常運(yùn)行，以此提高高壓直流系統(tǒng)可靠運(yùn)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(guó)電力出版社,2004.ZHAO Wanjun.HVDC engineering technology[M].Beijing：China Electric Power Press,2004.