天生橋換流站換流閥水冷系統(tǒng)改造技術(shù)總結(jié)

雷朝煜，楊 健

（中國南方電網(wǎng)超高壓公司天生橋局,貴州 興義 562400）

1 概述

換流閥水冷系統(tǒng)（以下簡稱閥冷系統(tǒng)）是高壓直流輸電工程換流閥冷卻的必要輔助系統(tǒng)，早期的閥冷系統(tǒng)多采用西門子和ABB成套設(shè)備，冗余度較低且設(shè)備老化加劇，隨著國內(nèi)制造技術(shù)的不斷成熟，初期建設(shè)的高壓直流輸電工程逐步進(jìn)入國產(chǎn)化改造階段。

±500kV天廣直流是南方電網(wǎng)第一個(gè)超高壓直流西電東送輸電工程，天生橋換流站是該通道的整流站，其閥冷系統(tǒng)已運(yùn)行十余年，并逐漸暴露出諸多問題，嚴(yán)重影響了該西電東送直流通道的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]，改造工程勢在必行。本文結(jié)合天生橋換流站閥冷系統(tǒng)國產(chǎn)化改造工程，對(duì)改造中的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)改造后暴露的問題提出了相應(yīng)技術(shù)措施和改進(jìn)建議，為后續(xù)同類改造工程提供參考。

2 技術(shù)準(zhǔn)備

3 設(shè)備安裝和調(diào)試

3.1 關(guān)于傳感器及管道改造的工藝流程

高壓直流輸電通道擔(dān)負(fù)著大功率的西電東送的重任，而傳感器及其管道的改造必須要求直流停電，停電改造時(shí)間極其寶貴。同時(shí)改造中傳感器的焊接工作可能帶來密閉的水冷系統(tǒng)內(nèi)部管道污染問題，而傳感器焊接后的加壓測試、內(nèi)壁清洗等工藝現(xiàn)場都無法滿足要求，這都給改造工作帶來了很大的困難。

改造中采取模塊化拼接的方式，可順利解決上述問題。改造前首先對(duì)管道部分進(jìn)行精確測繪，傳感器的在管道上的設(shè)計(jì)位置盡可能的靠近有法蘭盤的位置。安裝有傳感器的管道在廠內(nèi)按照1:1的比例進(jìn)行制造，并在兩端增加法蘭盤，調(diào)試、酸洗后進(jìn)行密封運(yùn)輸?，F(xiàn)場安裝前使用純水再次進(jìn)行清洗去除灰塵，對(duì)原有管道進(jìn)行拆除，吊裝帶有傳感器的新管道并在兩端法蘭盤處使用密封圈密封并緊固即可。

3.2 關(guān)于閥冷冗余電源故障切換與站用電備自投切換邏輯的配合

高壓直流換流站對(duì)站用電的可靠性要求較高[3]，一般都會(huì)配置三路站用電源，并通過10kV和400V母線的備自投切換裝置實(shí)現(xiàn)電源的可靠供給。閥冷系統(tǒng)通過兩臺(tái)互為備用的主泵實(shí)現(xiàn)換流閥水冷系統(tǒng)不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)運(yùn)行的主泵的控制系統(tǒng)監(jiān)測到動(dòng)力電源消失后，需及時(shí)切換電源甚至切換至備用主泵，避免閥冷系統(tǒng)冷卻效果不佳，進(jìn)而引起直流閉鎖甚至損壞換流閥。因此，有必要開展站用電系統(tǒng)的備自投與閥冷系統(tǒng)主泵動(dòng)力電源的切換邏輯延時(shí)的配合試驗(yàn)。

建議開展的試驗(yàn)項(xiàng)目：兩臺(tái)主泵均正常、備用主泵檢修、備用主泵存在機(jī)械故障無法保證額定出力而其動(dòng)力電源監(jiān)測裝置正常時(shí)的10kV和400V備自投切換試驗(yàn)。對(duì)本次改造中不滿足要求的試驗(yàn)項(xiàng)目，通過調(diào)整低電壓監(jiān)視模塊告警延時(shí)、備自投切換延時(shí)、主泵切換延時(shí)等參數(shù)得以實(shí)現(xiàn)。

3.3 關(guān)于主泵電機(jī)啟動(dòng)電流測試與開關(guān)定值校核試驗(yàn)

通過查閱主泵電機(jī)啟動(dòng)電流特性曲線[4]，現(xiàn)場測試閥冷主泵在正常啟動(dòng)、主備切換和殘壓啟動(dòng)工況下電流過沖等方式，校核主泵動(dòng)力電源開關(guān)過流速斷、過負(fù)荷定值并進(jìn)行必要調(diào)整。

通過現(xiàn)場試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，主泵殘壓啟動(dòng)時(shí)（運(yùn)行主泵正常切換至備用主泵，而備用主泵因機(jī)械故障無法運(yùn)行，再次切換回運(yùn)行主泵）的啟動(dòng)電流峰值最大，在運(yùn)行主泵失電190～360ms后再次啟動(dòng)的瞬時(shí)電流Im最大，達(dá)到額定電流In的15～20倍，主泵動(dòng)力電源開關(guān)過流速斷定值應(yīng)大于主泵殘壓啟動(dòng)時(shí)的瞬時(shí)電流最大值，且保留一定的裕度。

3.4 關(guān)于主泵動(dòng)力電源回路欠壓監(jiān)視繼電器的選型

主泵動(dòng)力電源回路欠壓監(jiān)視繼電器實(shí)時(shí)監(jiān)視著主泵電源狀態(tài)，并能準(zhǔn)確將失電情況反饋至控制系統(tǒng)進(jìn)而引起主泵的切換，對(duì)主泵的正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用[5]。在國內(nèi)現(xiàn)有的直流輸電工程中，該繼電器多采用交流供電或直流獨(dú)立供電兩種類型。

在開展合作學(xué)習(xí)時(shí)，教師要對(duì)該學(xué)科教學(xué)的形式與內(nèi)容更加重視，所以在開展合作學(xué)習(xí)時(shí)，其效果與質(zhì)量都會(huì)受到內(nèi)容和形式所帶來的影響。對(duì)于教師而言，要結(jié)合教學(xué)目標(biāo)，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行合理選擇，進(jìn)而設(shè)定出更加科學(xué)的合作目標(biāo)。以此為前提，需要與學(xué)生的實(shí)際情況相結(jié)合，明確強(qiáng)化學(xué)習(xí)的內(nèi)容與形式。對(duì)于教師而言，需要學(xué)生充分采用多種教學(xué)形式，加強(qiáng)規(guī)范合作與長短期合作等。而就教學(xué)的內(nèi)容而言，需要確保其靈活性與多樣性，才能較好地實(shí)現(xiàn)合作學(xué)習(xí)的目標(biāo)。

對(duì)于交流供電繼電器，由于其工作電源和被監(jiān)視的動(dòng)力電源回路為同一路電源，若交流系統(tǒng)出現(xiàn)短時(shí)的電壓波動(dòng)后恢復(fù)正常（低于繼電器工作電源電壓的70%），可能會(huì)造成繼電器誤發(fā)主泵故障信息，當(dāng)閥冷控制系統(tǒng)檢測到兩臺(tái)主泵均故障時(shí)將引起直流閉鎖。由于閥冷控制保護(hù)裝置采用的是多路直流電源耦合的方式供電，且站用直流系統(tǒng)電壓相對(duì)穩(wěn)定，因此主泵動(dòng)力電源回路欠壓監(jiān)視繼電器易選用直流供電的類型。

4 改造后系統(tǒng)冷卻能力的評(píng)估

改造后的閥冷系統(tǒng)能否滿足直流正常運(yùn)行的需要，可通過觀測內(nèi)冷水系統(tǒng)冷卻介質(zhì)流量、溫度等參數(shù)來間接的判斷。下面是對(duì)改造前的冷卻容量評(píng)估：

4.1 換流閥發(fā)熱量的計(jì)算

換流閥的發(fā)熱量是隨著直流系統(tǒng)的電壓、電流運(yùn)行工況條件而變化的，且無法直接測量。一般選取直流滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)閥冷系統(tǒng)的運(yùn)行工況來間接計(jì)算換流閥的發(fā)熱量。計(jì)算公式如下：

式中：Q——換流閥發(fā)熱量，kW

Cp——冷卻介質(zhì)比熱容， J/(kg·℃)

m—冷卻介質(zhì)流量，m3/h

△T—冷卻介質(zhì)進(jìn)出換流閥溫度差，℃

4.2 閥冷系統(tǒng)最大出力核算

在額定的流量、正常環(huán)境溫度、最大出閥溫度、最大發(fā)熱量和冷卻塔運(yùn)行參數(shù)不變的條件下，核算冷卻介質(zhì)流進(jìn)換流閥（流出冷卻塔）溫度T2，T2可通過下式計(jì)算：

式中：Q——換流閥發(fā)熱量，kW

K——冷卻塔換熱盤管總傳熱系數(shù)

T1——管內(nèi)入口冷卻介質(zhì)溫度，℃

T2——管內(nèi)出口冷卻介質(zhì)溫度，℃

T2——管內(nèi)出口冷卻介質(zhì)溫度，℃

A——冷卻塔填料側(cè)的橫截面積，m2

公式中的盤管總傳熱系數(shù)K、Cp冷卻介質(zhì)比熱容 可通過查詢其物性參數(shù)數(shù)據(jù)表計(jì)算得到。

根據(jù)現(xiàn)場測量和計(jì)算，天生橋換流站-500kV極1直流系統(tǒng)在環(huán)境濕球溫度為27.6℃時(shí)，冷卻塔全部運(yùn)行和一臺(tái)冷卻塔停止運(yùn)行（失去1/3冷卻容量）的情況下，冷卻介質(zhì)流進(jìn)換流閥的溫度T2分別為44.2℃和47.3℃，均可滿足53℃的設(shè)計(jì)要求。

綜上所述，改造后可通過閥冷系統(tǒng)冷卻介質(zhì)流量來間接評(píng)估其冷卻能力，如冷卻介質(zhì)流量比改造前下降，可適當(dāng)優(yōu)化冷卻塔填料側(cè)的管道結(jié)構(gòu)、風(fēng)機(jī)變頻器的轉(zhuǎn)速參數(shù)等，使其達(dá)到甚至優(yōu)于改造前的冷卻能力。

5 幾點(diǎn)建議

（1）管道部分設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試的有關(guān)建議。1）傳感器及管道安裝需排空內(nèi)冷水管道中的冷卻水介質(zhì)，建議排水前將閥塔進(jìn)出口的閥門關(guān)閉，避免大量空氣進(jìn)入閥塔的毛細(xì)管道中，影響改造后的水系統(tǒng)壓力、流量甚至影響換流閥的冷卻效果；2）由于新安裝的管道內(nèi)含有大量空氣，建議改造前考慮管道注水和排水口的設(shè)計(jì)，易取管道最低點(diǎn)為注水口、最高點(diǎn)設(shè)置排水閥門，注水流程由低點(diǎn)往高點(diǎn)進(jìn)行，盡可能的減少空氣的進(jìn)入；3）在調(diào)試過程中主泵需要頻繁的啟動(dòng)和切換，可能引起主泵和管路中的止回閥性能下降。建議調(diào)試完成后對(duì)主泵進(jìn)行全面維護(hù)，對(duì)止回閥進(jìn)行測試或更換。

（2）加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)控制和管理的建議。由于現(xiàn)場情況的變化，在屏柜二次回路調(diào)試期間發(fā)生了一起站用直流接地故障，隨及時(shí)進(jìn)行了處理；質(zhì)量管理有待提高，在外冷水電導(dǎo)率傳感器支路改造時(shí)，部分雜質(zhì)進(jìn)入管道內(nèi)，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)后在狹窄部位逐漸積累并堵塞，引起外冷水電導(dǎo)率測量誤差。

建議后續(xù)改造工程應(yīng)做好全過程的風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估，對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)進(jìn)行全過程的監(jiān)督和控制，盡量避免改造風(fēng)險(xiǎn)，拒絕松懈與麻痹。

（3）加強(qiáng)現(xiàn)場施工與各方密切配合的建議。要加大現(xiàn)場施工配合力度，對(duì)現(xiàn)場出現(xiàn)的問題要及時(shí)做出反應(yīng)，做好工程質(zhì)量控制，避免帶來直流系統(tǒng)重復(fù)停電維護(hù)的麻煩。

[1]洪樂洲，江一，翁洪志，杜松軒，梁秉崗.換流站閥冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷與改進(jìn)措施[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2013,7(01):44-46.

[2]崔鵬飛,王海軍,國建寶.直流輸電工程閥冷系統(tǒng)在線儀表可靠控制策略[J].廣東化工,2011,38(224):112-113.

[3]許衛(wèi)剛,廖文鋒,顧舒揚(yáng).直流輸電工程站用電系統(tǒng)運(yùn)行分析[J].高電壓技術(shù),2016,32(09):157-159.