500 kV直流融冰兼動補(bǔ)裝置水冷系統(tǒng)現(xiàn)場試驗(yàn)及改進(jìn)

陸 翌，胡文堂，陳金法，趙啟承，金涌濤，汪 科，趙文淵

（浙江省電力試驗(yàn)研究院，杭州 310014）

500 kV直流融冰兼動補(bǔ)裝置水冷系統(tǒng)現(xiàn)場試驗(yàn)及改進(jìn)

陸 翌，胡文堂，陳金法，趙啟承，金涌濤，汪 科，趙文淵

（浙江省電力試驗(yàn)研究院，杭州 310014）

介紹了500 kV直流融冰兼動態(tài)無功補(bǔ)償系統(tǒng)裝置水冷系統(tǒng)的構(gòu)造及基本原理，對現(xiàn)場調(diào)試時(shí)遇到的主要技術(shù)問題進(jìn)行了分析，并闡述了相應(yīng)的措施及修改方案。

直流融冰；晶閘管；水冷系統(tǒng)；現(xiàn)場調(diào)試；試驗(yàn)分析

直流融冰兼動態(tài)無功補(bǔ)償裝置（以下簡稱融冰兼動補(bǔ)裝置）安裝于浙江電網(wǎng)西南部的樞紐變電站—500 kV雙龍變。該裝置采用6相12脈可控整流電路，平時(shí)工作為無功補(bǔ)償模式，正常輸出無功范圍為2～90 Mvar（容性無功）；當(dāng)切換到直流融冰模式時(shí)，可為覆冰線路提供5 kA的直流融冰電流[1]。其晶閘管閥組采用水冷卻，換熱器采用“風(fēng)－水換熱”方式。因晶閘管閥組在融冰時(shí)有大電流通過，因此水冷系統(tǒng)對整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行有著重要的影響[2]。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 晶閘管閥水路設(shè)計(jì)

為降低水壓力、提高流速，晶閘管閥散熱水路采用并聯(lián)式。每個(gè)并聯(lián)支路均由1個(gè)晶閘管散熱器和水冷電阻串接而成（水路上串接）。每個(gè)橋臂（正、負(fù)橋臂）均設(shè)一段進(jìn)水管和出水管（如圖1所示）。晶閘管散熱水路材料采用高壓直流輸電上常用的PVDF（聚偏乙烯）。與各相閥散熱水路相連的主水管采用不銹鋼材料。

圖1 晶閘管閥散熱水路

1.2 系統(tǒng)組成

水冷系統(tǒng)如圖2所示，主要由主循環(huán)冷卻回路、去離子水處理、補(bǔ)水回路、氮?dú)夥€(wěn)壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等5個(gè)部分組成。去離子水處理、補(bǔ)水回路和氮?dú)夥€(wěn)壓系統(tǒng)合稱副循環(huán)回路。

圖2 水冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

主循環(huán)回路主要包括2臺一用一備的主循環(huán)泵、電動三通閥、風(fēng)冷換熱器等。控制器自動控制主循環(huán)泵的啟停，每30天主動切換一次以提高使用壽命，同時(shí)根據(jù)實(shí)際情況輸出預(yù)警及跳閘信號。風(fēng)冷換熱器通過目標(biāo)溫度設(shè)定值及當(dāng)前供水溫度來控制。電動三通閥的開閉通過設(shè)定工作溫度范圍來控制，自動調(diào)整進(jìn)入風(fēng)冷換熱器的水的比例，使水溫符合要求。

去離子水處理、補(bǔ)水回路包括離子交換器、三通球閥、加水泵等。離子交換器不斷凈化副循環(huán)回路中的離子，保證冷卻介質(zhì)具備極高的電阻率。進(jìn)入去離子水處理回路的水流量大小可以通過球閥調(diào)節(jié)。氮?dú)夥€(wěn)壓系統(tǒng)包括緩沖罐、氣路電磁閥、氮?dú)馄康取?/p>

1.3 系統(tǒng)工作原理

主循環(huán)泵將壓力和流速恒定的純水送至要冷卻的電力電子器件，升溫后的純水通過風(fēng)冷換熱器進(jìn)行二次散熱，散熱后回流至主循環(huán)泵進(jìn)口，形成密閉循環(huán)的閉環(huán)冷卻系統(tǒng)。為適應(yīng)裝置在高壓條件下的使用要求，防止在高壓環(huán)境產(chǎn)生漏電流，冷卻介質(zhì)必須具備極高的電阻率。因此在主循環(huán)冷卻回路上并聯(lián)了副循環(huán)去離子水回路。預(yù)設(shè)定流量的部分冷卻介質(zhì)流經(jīng)離子交換器，不斷凈化管路中可能析出的離子，然后通過緩沖罐，與主循環(huán)回路冷卻介質(zhì)在高壓主循環(huán)泵前合流。與離子交換器連接的補(bǔ)水裝置和與緩沖罐連接的氮?dú)夂銐合到y(tǒng)共同保持管路中充滿冷卻介質(zhì)并與空氣隔絕。氣路電磁閥由控制器控制，根據(jù)緩沖罐壓力高低限值自動開關(guān)，從而使緩沖罐的壓力穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，并保證整個(gè)水冷系統(tǒng)維持一定的靜壓。

2 現(xiàn)場試驗(yàn)及改進(jìn)

設(shè)備安裝完成后，調(diào)試人員對水冷系統(tǒng)進(jìn)行了6個(gè)大項(xiàng)的現(xiàn)場試驗(yàn)，分為安裝檢查、水耐壓試驗(yàn)、絕緣強(qiáng)度試驗(yàn)、通信接口試驗(yàn)、控制保護(hù)功能試驗(yàn)以及連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)等。現(xiàn)就試驗(yàn)過程中遇到的幾個(gè)主要技術(shù)問題進(jìn)行分析并提出改進(jìn)措施，為進(jìn)一步推進(jìn)直流融冰技術(shù)及類似工程建設(shè)和系統(tǒng)調(diào)試積累技術(shù)資料和經(jīng)驗(yàn)。

2.1 絕緣強(qiáng)度試驗(yàn)

此項(xiàng)目采用的6相12脈晶閘管整流閥有6個(gè)相同的單相晶閘管閥，采用立式設(shè)計(jì)，豎立在一塊鋁合金板上，由支柱絕緣子支撐。唯一與接地點(diǎn)相連的是晶閘管閥進(jìn)出水管，因此水冷系統(tǒng)的絕緣強(qiáng)度對整套裝置的絕緣至關(guān)重要。在水路管道安裝完成，沖洗并灌入純水后，以5 000 V的工頻電壓測量每相晶閘管閥進(jìn)出水管的對地絕緣電阻，此時(shí)的電導(dǎo)率為0.45μ/cm。測量發(fā) 現(xiàn)1號和2號閥組的B相閥水管絕緣電阻遠(yuǎn)小于其他相。分析認(rèn)為，初次充水后管道內(nèi)可能存在氣隙，由于1號和2號閥組的A，C相閥位于閥廳的四角，可能有氣泡聚集，因而造成測量阻值較大。開啟水循環(huán)系統(tǒng)，過濾后重新測量，電導(dǎo)率為0.27μ/cm，但1、2號閥組B相閥水管絕緣電阻仍偏小。再次排查原因，發(fā)現(xiàn)1、2號閥組中間直流側(cè)接地未拆除，實(shí)際測量得到的是晶閘管閥對地的電阻值。由于B相閥位于閥廳中央，距離接地點(diǎn)最近，所以電阻值最小。拆除直流側(cè)接地重新試驗(yàn)，測量電阻如表1所示。

表1 水冷系統(tǒng)各點(diǎn)對地絕緣電阻值

如果水冷回路中存有氣體或者在直流融冰時(shí)大電流通過并電解水產(chǎn)生的氣體會在水管內(nèi)產(chǎn)生氣隙，使部分不銹鋼水管內(nèi)壁露出水面，此金屬部分與水面存在電位差，嚴(yán)重時(shí)會沿水管內(nèi)壁表面放電并燒壞水管[3]。由于吸取了以往高壓直流輸電的經(jīng)驗(yàn)，此次所用的水冷系統(tǒng)加裝了氣水分離裝置，可以不斷將水中的氣泡排出。

夏季循環(huán)水溫較低而氣溫較高、濕度較大，水冷系統(tǒng)主水管外壁可能會結(jié)露而造成絕緣強(qiáng)度降低。以往高壓直流輸電的經(jīng)驗(yàn)是進(jìn)行結(jié)露點(diǎn)試驗(yàn)并加裝裙傘[4]。此次的水冷系統(tǒng)加裝了加熱裝置，在水溫低于設(shè)定值時(shí)對循環(huán)水進(jìn)行加熱，使其溫度保持恒定，避免了水溫過低而使水管外壁結(jié)露的問題。

2.2 電導(dǎo)率測量單元異常原因分析

在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)融冰兼動補(bǔ)裝置控制屛上顯示的去離子水電導(dǎo)率高于供水電導(dǎo)率。在水冷系統(tǒng)就地控制屏上發(fā)現(xiàn)了同樣問題，所以基本可以排除通信端口接反的原因。去離子水的電導(dǎo)率測量單元采用電極流通式安裝，如圖3所示，去離子水從去離子器出來，經(jīng)過測量池進(jìn)入循環(huán)水管道。通過在水中注入一定量的空氣并觀察氣泡的走向，發(fā)現(xiàn)供水管的出水壓力略大于去離子水的出水壓力，所以通過測量池的水流走向是從供水管流向去離子水管，因而所測量的是從閥體出來的循環(huán)水電導(dǎo)率。針對這一問題，提出了更改電導(dǎo)率測量單元進(jìn)水軟管直徑的整改措施。

圖3 電導(dǎo)率量測單元結(jié)構(gòu)圖

2.3 閥控與水冷系統(tǒng)保護(hù)功能的協(xié)調(diào)控制

水冷系統(tǒng)由PLC自動監(jiān)控運(yùn)行，在線監(jiān)控的信息狀態(tài)量為：冷卻水流量、供水壓力、供水溫度、出閥溫度、冷卻水電阻率、去離子水電阻率、主循環(huán)泵狀態(tài)、冷卻泵狀態(tài)和水箱水位狀態(tài)等，并通過RS485串口通訊上報(bào)融冰兼動補(bǔ)裝置主控制器。任何一項(xiàng)信息狀態(tài)量超過定值上限時(shí)系統(tǒng)將報(bào)警，如超過上上限則保護(hù)動作。在現(xiàn)場對46項(xiàng)保護(hù)及報(bào)警功能進(jìn)行試驗(yàn)，所有保護(hù)功能均能正確動作使水冷系統(tǒng)停機(jī)，并在融冰兼動補(bǔ)裝置控制屏上顯示相應(yīng)的報(bào)警和保護(hù)信號。曾發(fā)現(xiàn)水冷系統(tǒng)保護(hù)停機(jī)時(shí)融冰兼動補(bǔ)裝置并沒有同時(shí)停機(jī)，這種情況可能造成的嚴(yán)重后果是：在沒有循環(huán)水流動的情況下，晶閘管仍保持大電流通過，從而引起閥組過熱而損壞。為此采取了整改措施：水冷系統(tǒng)控制器在滿足保護(hù)動作條件時(shí)向融冰兼動補(bǔ)裝置主控制器發(fā)出信號，主控制器隨后發(fā)出水冷系統(tǒng)故障保護(hù)信號，停止融冰兼動補(bǔ)裝置，等待1 min后向水冷系統(tǒng)發(fā)停機(jī)信號。

2.4 風(fēng)機(jī)啟停頻繁問題的處理

分系統(tǒng)試驗(yàn)完成后需要對整套裝置進(jìn)行啟動聯(lián)調(diào)試驗(yàn)。在啟動試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)1、2號風(fēng)機(jī)啟停頻繁。風(fēng)機(jī)的啟停策略采用t+2．5℃原則，即在出水溫度低于t1時(shí)1號風(fēng)機(jī)停；溫度高于t1+2．5℃時(shí)1號風(fēng)機(jī)啟動；而2號風(fēng)機(jī)的溫度下限t2為t1+ 2．5℃，以此類推。由于試驗(yàn)時(shí)值冬季，氣溫較低，水冷系統(tǒng)散熱較快，出水溫度一直在1、2號風(fēng)機(jī)的上下限附近徘徊，所以造成啟停頻繁。對此提出t+6℃的啟停策略，并在1號風(fēng)機(jī)的上限和2號風(fēng)機(jī)下限之間留有2℃的余量，這一措施有效地解決了風(fēng)機(jī)啟停頻繁的問題。

3 總結(jié)

水冷系統(tǒng)是柔性輸電設(shè)備乃至高壓直流輸電系統(tǒng)的重要組成部分。水冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、施工安裝、調(diào)試和運(yùn)行等方面都必須引起足夠的重視。在調(diào)試過程中曾多次發(fā)生由于PVDF水管質(zhì)量不合格而引起的漏水事故。與以往高壓直流輸電工程相比，此項(xiàng)目的水冷系統(tǒng)采用了一些新技術(shù)新手段，如氣水分離器和加熱裝置等。在調(diào)試過程中暴露出來的問題也得到了解決，如電導(dǎo)率測量單元異常、風(fēng)機(jī)啟停策略以及設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮水冷系統(tǒng)控制器與閥組控制器的聯(lián)動功能等問題，為工程的成功投運(yùn)奠定了基礎(chǔ)。

[1]申屠剛，程極盛，江道灼，等．500 kV直流融冰兼動態(tài)無功補(bǔ)償系統(tǒng)研發(fā)與工程試點(diǎn)[J]．電力系統(tǒng)自動化，2009，33（23）：75－80．

[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，2004．

[3]R．J．NEWELL,M．D．RISAN,D．D．RAATZ,et al．Hauth,Staged Field Testing of The Victory Hill Static Var Control[J]．IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems,1980,99（2）∶426－433．

[4]曹勇．嵊泗HVDC換流閥內(nèi)水冷回路分析[J]．華電電力，2003，4：0241－0243．

（本文編輯：徐 晗）

Field Test and Improvement of Water Cooling System in 500 kV DC Deicer and SVC

LU Yi，HU Wen-tang，CHEN Jin-fa，ZHAO Qi-cheng，JIN Yong-tao，WANG Ke，ZHAO Wen-yuan
（Zhejiang Electric Power Test&Research Institute，Hangzhou 310014，China）

This paper introduces the structure and basic principles of the water cooling system in the 500 kV DC Deicer and SVC,analyzes the main technical problems found during field commissioning and proposes the solutions and modification plan.

DC deicer；thyristor；water cooling system；on-site commissioning；testanalysis

TM714.3

B

1007-1881（2010）10-0006-03

2010-02-24

陸 翌（1979-），男，浙江嘉善人，博士，工程師，主要從事柔性輸電和直流輸電方面的研究。