換流閥PVDF冷卻水管損傷漏水事故原因分析

聶陽(yáng)陽(yáng)，周文青，趙一楓，范星輝，呂茵，王慧泉，劉剛

(1.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510641；2.廣東省綠色能源技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州510641；3.中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州 510507)

隨著大范圍能源優(yōu)化配置、大規(guī)模可再生能源發(fā)電并網(wǎng)等需求的擴(kuò)大，直流輸電工程正得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用[1-2]。換流閥作為直流輸電的核心部件，在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，因此冷卻系統(tǒng)是其穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[3]。目前投運(yùn)使用的換流站冷卻系統(tǒng)多采用水冷方式，承載去離子水的管道盤旋穿插在換流閥塔中。為鉗制水管內(nèi)去離子水的電位差，防止金屬材質(zhì)的散熱片被腐蝕，水管上會(huì)均勻加裝均壓電極以轉(zhuǎn)移腐蝕，各均壓電極與臨近母線板具有電氣連接[4]。南方電網(wǎng)已投運(yùn)直流工程中的換流閥冷卻水管均壓電極與母線板的電氣連接方式有2種：一種使用的是均壓電極引線，另一種使用的是導(dǎo)電桿。相較于導(dǎo)電桿，均壓電極引線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，便于安裝施工；然而，由于其易于變形，在冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中存在貼近冷卻水管表面的情況。均壓電極引線連接著母線板，帶有高電位，存在安全隱患?？紤]到水管所處電場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜性，換流閥廠家選擇了絕緣性能優(yōu)越、理化性能穩(wěn)定的聚偏氟乙烯(poly vinylidene fluoride，PVDF)作為水管材料[5]。但隨著輸電電壓等級(jí)提高，冷卻水管所處的電場(chǎng)環(huán)境愈發(fā)復(fù)雜，PVDF材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生變化，甚至造成宏觀損傷，引發(fā)停電事故。

2015年南方電網(wǎng)某換流站發(fā)生了一起換流閥停運(yùn)檢修事故[6]，現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)事故段有一均壓電極引線接觸附近冷卻水管，水管厚度約為3.5 mm，表面出現(xiàn)30 mm(長(zhǎng))×4 mm(寬)大小的損傷凹痕，已發(fā)生破損而漏水。水滴落在閥片上的閥電壓檢測(cè)(thyristor voltage monitoring，TVM)板上導(dǎo)致無(wú)信號(hào)傳回，在停電十幾小時(shí)后更換水管和TVM板，閥組解鎖運(yùn)行。目前對(duì)此類冷卻水管漏水事故開(kāi)展的研究較少，針對(duì)換流閥冷卻系統(tǒng)的研究主要集中在均壓電極結(jié)垢、金屬散熱器腐蝕、水管接頭處漏水等問(wèn)題上[7]，造成此類水管漏水事故原因仍然缺乏論證。根據(jù)檢修記錄，此類事故發(fā)生頻率雖低，但是發(fā)生后發(fā)展迅速，影響附近設(shè)備的正常運(yùn)行，水管內(nèi)部水壓降低處理不及時(shí)甚至導(dǎo)致內(nèi)冷卻系統(tǒng)癱瘓，嚴(yán)重威脅換流站的穩(wěn)定運(yùn)行。

在正常工況的一個(gè)換流周期內(nèi)，損傷位置處均壓電極帶有40 kV以上的電勢(shì)差，這意味著其連接的均壓電極線帶有高電位[8]。結(jié)合事故中均壓電極線意外挨近冷卻水管的情況，文獻(xiàn)[9]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了均壓電極引線電流熱效應(yīng)對(duì)水管表面的作用，發(fā)現(xiàn)引線上的電流大小為毫安級(jí)別，排除了電流熱效應(yīng)的影響[9]。文獻(xiàn)[10-12]對(duì)損傷水管附近電場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行了仿真分析，并開(kāi)展了電暈放電的紫外光子成像實(shí)驗(yàn)，提出電暈放電造成水管損傷的可能性[10-12]。根據(jù)劇烈程度的不同，放電對(duì)水管表面的損傷可分為短時(shí)擊穿(高場(chǎng)強(qiáng)下)和電暈老化(低場(chǎng)強(qiáng)下)。二者對(duì)水管造成損傷的主導(dǎo)因素不同，對(duì)材料內(nèi)部的作用過(guò)程也有差異。短時(shí)擊穿放電下材料表面會(huì)發(fā)生電痕破壞，放電熱量在該過(guò)程中起著重要作用[13-14]。電暈老化對(duì)聚合物材料表面的作用過(guò)程是相對(duì)復(fù)雜的，需要考慮電暈中活性粒子(電子、光量子、活性氧原子等)的綜合作用[15]。目前針對(duì)放電導(dǎo)致事故水管損傷的研究均是從放電現(xiàn)象這一角度入手；然而換流閥內(nèi)電場(chǎng)環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，直接從放電的角度研究水管損傷的過(guò)程極具挑戰(zhàn)性且缺乏論證。以損傷水管本身為研究對(duì)象，從材料微觀性質(zhì)變化的角度對(duì)水管損傷原因開(kāi)展研究更具可行性。因此，本文基于前述研究提出放電導(dǎo)致水管損傷的推斷，以事故水管為研究對(duì)象，開(kāi)展水管表面擊穿放電和加速電暈老化試驗(yàn)。采用傅里葉紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR)、差示掃描量熱法(differential scanning caborimetry，DSC)技術(shù)，分析事故試樣和試驗(yàn)前后試樣的內(nèi)部基團(tuán)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)變化，得出事故水管損傷處試樣具有特征性的微觀參數(shù)。最后，通過(guò)對(duì)照事故試樣與放電模擬試驗(yàn)中的試樣的特征微觀參數(shù)，推斷出水管損傷的原因及機(jī)理。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣制備

試驗(yàn)采用一段發(fā)生事故損傷的舊水管和一段新水管作為研究對(duì)象，2段水管均為德國(guó)西門子公司的聚偏二氟乙烯(PVDF)材質(zhì)換流閥冷卻水管。試驗(yàn)用舊水管截取自事故損傷水管，如圖1所示。取樣水管運(yùn)行已超過(guò)5 a，包含事故損傷部位，其余部分表面完整。

圖1 水管損傷事故發(fā)生位置及損傷情況

1.2 模擬放電試驗(yàn)

針對(duì)短時(shí)擊穿放電對(duì)PVDF水管表面的損傷，截取舊水管不含損傷處的一段進(jìn)行放電擊穿試驗(yàn)，如圖2(a)所示，其中：1為電腦控制端；2為ZJC-100 kV電壓擊穿試驗(yàn)儀；3為試驗(yàn)用三角形電極，用作高壓端，尖端與水管表面接觸；4為弦長(zhǎng)60 cm的實(shí)驗(yàn)水管試樣；5為接地圓柱銅電極；6為裝置外壁。試驗(yàn)使用電腦程序向高電壓試驗(yàn)儀發(fā)送控制信號(hào)并且記錄耐壓時(shí)間、大小和波形。當(dāng)電腦端發(fā)送加壓信號(hào)后，高電壓試驗(yàn)儀升壓使導(dǎo)線帶高壓，在尖銳的高壓端產(chǎn)生高場(chǎng)強(qiáng)，當(dāng)電壓增加到一定值時(shí)將在水管表面發(fā)生劇烈放電。設(shè)置電壓幅值45 kV、電壓上升速率1 kV/s、耐壓時(shí)間為500 s進(jìn)行多組試驗(yàn)，直至水管表面發(fā)生擊穿。試驗(yàn)過(guò)程中，電弧在水管表面持續(xù)作用，水管表面不斷被侵蝕，直至兩極貫穿。試驗(yàn)結(jié)束后，觀察到高壓電極接觸點(diǎn)附近生成1個(gè)碳黑區(qū)域并發(fā)生擊穿，從該區(qū)域延伸出1條細(xì)長(zhǎng)放電凹痕。凹痕處未觀察到有碳痕，對(duì)放電凹痕取樣，進(jìn)行下一步微觀測(cè)試。

針對(duì)電暈老化對(duì)PVDF水管表面的損傷，對(duì)換流站事故舊水管進(jìn)行加速電暈老化試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)原理圖如圖2(b)所示，其中：4為試樣，取自舊水管，大小為弦長(zhǎng)3 cm、寬3 cm的拱形；6為金屬板，用作接地極；7為實(shí)驗(yàn)裝置外壁。高壓端與接地端之間相距11 cm，支架高度為8.5 cm。設(shè)定耐壓值30 kV、升壓速率1 kV/s進(jìn)行長(zhǎng)期電暈老化試驗(yàn)，升壓至30 kV時(shí)已經(jīng)能聽(tīng)到明顯的放電噪聲，并聞到濃烈的臭氧氣味。在試驗(yàn)達(dá)到1 000 h時(shí)，觀察到水管表面已經(jīng)出現(xiàn)沿著均壓電極線方向的橫向損傷痕跡，損傷呈不規(guī)則長(zhǎng)條形。對(duì)水管表面取樣，進(jìn)行下一步分析。

圖2 模擬放電試驗(yàn)原理圖

1.3 理化測(cè)試試樣名稱及說(shuō)明

在對(duì)各樣品進(jìn)行清潔與干燥處理后，使用FTIR和DSC技術(shù)進(jìn)行表面微觀參數(shù)測(cè)試。各試樣名稱及說(shuō)明見(jiàn)表1。

表1 各試樣名稱及說(shuō)明

1.4 理化測(cè)試

FTIR采用德國(guó)Bruker公司生產(chǎn)的VERTEX 70 紅外光譜儀。實(shí)驗(yàn)以分辨率為4 cm-1、信噪比為55 000∶1的方式在波長(zhǎng)范圍500～4 000 cm-1內(nèi)對(duì)各個(gè)試樣進(jìn)行掃描，然后通過(guò)OPUS軟件分析獲得光譜。

DSC型號(hào)為德國(guó)NETZSCH公司的DSC 214，測(cè)試時(shí)設(shè)定為氮?dú)鈿夥?，通氣速率?0 ml/min，溫度改變速率設(shè)定為10 ℃/min。根據(jù)查閱資料得到的PVDF材料熔點(diǎn)參數(shù)，設(shè)定溫度變化范圍為30～200 ℃，得到熔融曲線。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 FTIR測(cè)試結(jié)果與分析

圖3所示為新水管、舊水管和事故水管損傷處的FTIR圖。

圖3 新、舊和事故損傷水管的FTIR圖

圖4所示為已歸一化的事故損傷、放電凹痕和電暈老化水管的FTIR圖。

圖4 事故損傷、放電凹痕和電暈老化水管的FTIR圖

對(duì)于短時(shí)劇烈放電產(chǎn)生的凹痕處的試樣，其乙烯基和羥基的振動(dòng)峰強(qiáng)度沒(méi)有明顯上升，這是由于在短時(shí)強(qiáng)放電的作用下，水管表面發(fā)生了電痕破壞過(guò)程，損傷的主導(dǎo)因素是劇烈放電產(chǎn)生的熱量。大量熱量使分子鏈大量破壞，析出碳元素[14]。當(dāng)氧氣充足時(shí)，生成的碳會(huì)反應(yīng)成為碳氧化物逸出材料表面，最終在材料表面形成細(xì)長(zhǎng)的放電凹痕。因此，在放電凹痕形成過(guò)程中雖然也有大量分子鏈斷裂，生成不飽和雙鍵，但進(jìn)一步的反應(yīng)會(huì)將其消耗掉，乙烯基的振動(dòng)強(qiáng)度不會(huì)明顯上升。熱量的作用還會(huì)使氫原子生成氣體逸出，因此即使大量氧參與了反應(yīng)，羥基振動(dòng)強(qiáng)度也未明顯增加。由此可以看出，事故水管表面損傷并非是短時(shí)劇烈放電造成的。

對(duì)于電暈老化水管試樣，乙烯基和羥基的振動(dòng)峰強(qiáng)度與事故水管損傷處相似，有明顯上升。對(duì)于電暈放電來(lái)說(shuō)，其對(duì)聚合物絕緣材料的老化形式有帶電粒子的轟擊和活性產(chǎn)物的作用[22]。從加速電暈老化水管試樣的特征基團(tuán)振動(dòng)峰強(qiáng)度可以看出，加速電暈老化使得大量分子鏈在高能粒子的轟擊下發(fā)生斷裂，生成大量不飽和雙鍵，不飽和乙烯基振動(dòng)強(qiáng)度大幅上升。同時(shí)電暈活性物質(zhì)(原子態(tài)的氧)也將大量的極性羥基引入鏈斷中，羥基指數(shù)大幅增加。隨著這些過(guò)程不斷進(jìn)行，水管表面的較長(zhǎng)分子鏈逐步變成較短分子鏈，降解達(dá)到一定程度后，短分子鏈逸出，在表面形成損傷。

根據(jù)FTIR分析結(jié)果，乙烯基和羥基的振動(dòng)峰強(qiáng)度明顯上升，是事故水管損傷的微觀特征之一，而加速電暈老化試樣在基團(tuán)變化上也具有這一特征，表明長(zhǎng)時(shí)電暈老化是造成事故水管表面損傷的原因。

2.2 DSC測(cè)試結(jié)果與分析

對(duì)于PVDF這類半結(jié)晶型聚合物，其內(nèi)部是由結(jié)晶相、非結(jié)晶相和中間相組成[23]。結(jié)晶相內(nèi)分子鏈排列緊密有序，不利于氧的擴(kuò)散，氧化降解反應(yīng)多發(fā)生在分子鏈排列松散的非晶相內(nèi)；因此乙烯基與羥基振動(dòng)峰的強(qiáng)弱更多反映的是非晶相內(nèi)的氧化降解情況。為了更加全面地研究事故水管損傷處的微觀特征，采用DSC技術(shù)對(duì)各水管樣品的結(jié)晶狀況進(jìn)行分析。圖5、圖6所示為新水管、舊水管、事故水管損傷處、放電凹痕和電暈老化水管的熔融曲線。其中：Tm為吸熱峰峰值對(duì)應(yīng)的溫度，代表樣品熔點(diǎn)；ΔHm為吸熱峰面積，代表熔融焓。

圖5 新、舊和事故損傷水管的DSC熔融曲線

圖6 事故損傷、放電凹痕和電暈老化水管的DSC熔融曲線

為進(jìn)一步分析晶體結(jié)構(gòu)，需要得到各樣品的結(jié)晶度Xc，

Xc=ΔHm/ΔH0.

(1)

式中：ΔH0為PVDF材料結(jié)晶度為100%時(shí)的熔融峰熱焓，由文獻(xiàn)[24]得ΔH0=104.5 J/g。根據(jù)結(jié)晶度計(jì)算公式，熔融曲線中各樣品的相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 DSC熔融曲線相關(guān)數(shù)據(jù)

結(jié)晶度的大小反映了結(jié)晶相在聚合物內(nèi)部的占比，結(jié)晶相內(nèi)分子鏈排列緊密，相較于非晶相，不易與外界因素反應(yīng)而降解。因此對(duì)于半結(jié)晶聚合物而言，在外界因素作用下其結(jié)晶度的增大或減小能夠有效反映整體的降解程度。由表2可以看出相較于新水管，自然老化的舊水管結(jié)晶度上升了9.76%，表明在環(huán)境因素的作用下，從結(jié)晶度的角度來(lái)分析，水管表面并未發(fā)生降解，相反可能出現(xiàn)了二次結(jié)晶現(xiàn)象。而事故中的水管損傷處結(jié)晶度相較于舊水管結(jié)晶度下降了15.49%，這說(shuō)明事故損傷部位表面發(fā)生了明顯的降解作用，其作用結(jié)果已經(jīng)破壞了內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)。因此可以推斷結(jié)晶度的大幅度下降是事故水管損傷的又一微觀特征。

相較于舊水管試樣，放電凹痕處試樣的結(jié)晶度下降了5.4%，與事故水管損傷處相比，下降幅度較低。這與FTIR的結(jié)果類似，短時(shí)擊穿放電產(chǎn)生的熱量作用下水管表面發(fā)生了劇烈降解，這個(gè)過(guò)程發(fā)展很快，水管材料快速降解為氣體并逸出。雖然在水管表面形成了凹痕，但晶體被破壞的部分并未大量殘留，因此結(jié)晶度下降不明顯。對(duì)于電暈老化試樣，其結(jié)晶度較于舊水管下降了21.8%，具有事故水管損傷處結(jié)晶度大幅下降的特征。因此，從結(jié)晶度的角度分析，事故水管損傷是由長(zhǎng)期電暈老化造成的。在電暈活性粒子的不斷作用下，分子鏈的降解逐步從非晶區(qū)過(guò)渡到晶區(qū)，最終在長(zhǎng)時(shí)間的作用下，被完全破壞的晶體結(jié)構(gòu)會(huì)逸出水管表面，形成表面損傷。電暈作用過(guò)程相對(duì)緩慢且時(shí)間長(zhǎng)，在造成損傷的同時(shí)，仍殘留大量未被完全破壞的晶體結(jié)構(gòu)，等待進(jìn)一步降解。因此，長(zhǎng)期電暈老化作用后水管的結(jié)晶度會(huì)大幅下降。

3 結(jié)論

本文針對(duì)一起換流閥PVDF材質(zhì)冷卻水管損傷漏水事故，從損傷的微觀特征對(duì)事故原因及機(jī)理開(kāi)展研究，基于提出的放電導(dǎo)致水管損傷的推斷，對(duì)水管開(kāi)展短時(shí)擊穿與加速電暈老化試驗(yàn)，通過(guò)FTIR與DSC技術(shù)對(duì)新、舊、放電凹痕處、加速電暈老化和事故損傷處的水管表面微觀參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，得出以下結(jié)論：

a)事故水管損傷處具有乙烯基和羥基的振動(dòng)峰強(qiáng)度明顯上升、結(jié)晶度大幅下降的微觀特征；

b)短時(shí)擊穿放電產(chǎn)生放電凹痕的降解過(guò)程過(guò)于劇烈，殘留部分的特征微觀參數(shù)未出現(xiàn)明顯變化，事故水管損傷原因并非短時(shí)擊穿放電；

c)加速電暈老化過(guò)程相對(duì)緩慢且時(shí)間長(zhǎng)，在造成損傷的同時(shí)，會(huì)有大量未被完全降解的部分殘留在水管表面，具有與事故水管損傷處一致的微觀特征，因此可以推斷出事故水管的損傷是由長(zhǎng)期電暈老化造成的。