高壓直流換流閥冷卻系統(tǒng)保護(hù)配置及定值整定

嚴(yán)喜林，國建寶，楊光源，崔鵬飛，張懌寧

(中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司檢修試驗(yàn)中心，廣東 廣州 510663)

換流閥冷卻(以下簡稱“閥冷”)系統(tǒng)是高壓直流輸電系統(tǒng)最重要的設(shè)備之一，對高壓直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著非常重要的作用[1]。南方電網(wǎng)各回直流投運(yùn)以來，多次發(fā)生因閥冷系統(tǒng)保護(hù)配置和保護(hù)定值不合理導(dǎo)致直流閉鎖事件[2]，如2015年肇慶換流站進(jìn)行主泵自動(dòng)切換過程中因逆止閥異常導(dǎo)致閥塔壓差低跳閘事件，暴露出主泵回切時(shí)間定值與閥塔壓差保護(hù)跳閘定值配合不當(dāng)?shù)碾[患，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。南方電網(wǎng)各換流站閥冷系統(tǒng)的供貨廠家主要有西門子、許繼晶銳、廣州高瀾3家，閥冷保護(hù)定值均為由換流閥廠家提供的經(jīng)驗(yàn)值，缺乏理論依據(jù)和統(tǒng)一的指導(dǎo)規(guī)范[3]。為確保換流閥結(jié)溫維持正常水平以及保證換流閥及閥冷系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，有必要開展閥冷系統(tǒng)保護(hù)配置及定值整定研究。

國內(nèi)外針對換流閥冷卻系統(tǒng)保護(hù)定值研究的文獻(xiàn)較少，文獻(xiàn)[4]提出當(dāng)2個(gè)內(nèi)冷水溫度傳感器存在較大誤差時(shí)，可能導(dǎo)致內(nèi)冷水入水溫度高告警信號(hào)頻繁誤報(bào)警；文獻(xiàn)[5]分析了1起無主泵跳閘事件的原因，并提出了增加主泵切換延時(shí)的優(yōu)化措施；文獻(xiàn)[6]分析了1起換流閥水冷流量保護(hù)跳閘隱患，并提出低流量跳閘二段保護(hù)定值的優(yōu)化措施。上述文獻(xiàn)均只針對閥冷系統(tǒng)保護(hù)誤動(dòng)的原因進(jìn)行分析，并提出閥冷保護(hù)優(yōu)化措施，并未研究閥冷系統(tǒng)保護(hù)定值整定方法。

本文結(jié)合換流閥冷系統(tǒng)的工作原理，系統(tǒng)提出溫度、流量、壓力、液位、電導(dǎo)率等5類閥冷保護(hù)的定值整定方法，可為新建工程閥冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)、現(xiàn)場定值管理、事故事件分析等提供參考，對推動(dòng)閥冷系統(tǒng)保護(hù)定值規(guī)范化管理具有重要的指導(dǎo)意義。

1 換流閥冷卻系統(tǒng)工作原理

換流閥正常運(yùn)行時(shí)，大電流產(chǎn)生高熱量，導(dǎo)致晶閘管溫度急劇上升，為防止晶閘管被燒毀，換流站配置閥冷系統(tǒng)對晶閘管進(jìn)行冷卻[6]。閥冷系統(tǒng)由內(nèi)冷系統(tǒng)、外冷系統(tǒng)及控制系統(tǒng)3個(gè)部分組成，如圖1所示。

圖1 換流閥冷卻系統(tǒng)Fig.1 Converter valve cooling system

內(nèi)冷系統(tǒng)為閉式系統(tǒng)，主要由水動(dòng)力設(shè)備、穩(wěn)壓裝置、水處理裝置和補(bǔ)水裝置組成，將換流閥產(chǎn)生的熱量通過循環(huán)水帶到外冷系統(tǒng)，完成對換流閥的冷卻；具有水循環(huán)、內(nèi)冷水處理、系統(tǒng)壓力穩(wěn)定等功能[7]。

外冷系統(tǒng)主要由噴淋冷卻設(shè)備、水質(zhì)軟化凈化設(shè)備、補(bǔ)水設(shè)備等組成，具有噴淋冷卻、水質(zhì)軟化凈化、補(bǔ)水等功能[8]。

控制系統(tǒng)主要由控制單元、監(jiān)視單元、人機(jī)顯示單元和遠(yuǎn)程交互處理單元等組成，具有內(nèi)外冷系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視與控制，系統(tǒng)流量、壓力、溫度、液位監(jiān)測與精確控制，本地顯示和遠(yuǎn)程信息傳送和交互等功能[9]。

2 換流閥冷卻系統(tǒng)保護(hù)定值整定方法

為保證換流閥的安全穩(wěn)定運(yùn)行，換流閥冷卻系統(tǒng)通常配置有溫度、流量、壓力、液位、電導(dǎo)率共5類保護(hù)，以下分析各類保護(hù)定值的整定方法。

2.1 溫度類保護(hù)定值整定方法

溫度類保護(hù)主要包括進(jìn)閥溫度保護(hù)和出閥溫度保護(hù)2種。進(jìn)閥溫度為閥冷系統(tǒng)主要運(yùn)行參數(shù)，包含報(bào)警/跳閘保護(hù)；出閥溫度主要含報(bào)警保護(hù)，不進(jìn)行跳閘保護(hù)。

2.1.1 進(jìn)閥溫度保護(hù)

進(jìn)閥溫度為閥冷系統(tǒng)主要運(yùn)行參數(shù)，配置進(jìn)閥溫度高報(bào)警、進(jìn)閥溫度超高報(bào)警、進(jìn)閥溫度超高跳閘、進(jìn)閥溫度低報(bào)警。

晶閘管換流閥的結(jié)溫等于冷卻水的進(jìn)閥溫度與換流閥損耗產(chǎn)生的溫升之和，冷卻水的進(jìn)閥溫度高低直流決定晶閘管PN結(jié)的溫度[10]。若進(jìn)閥溫度過高，會(huì)使晶閘管結(jié)溫超過最高允許結(jié)溫，導(dǎo)致晶閘管過熱燒毀，因此閥冷系統(tǒng)通常會(huì)配置進(jìn)閥溫度保護(hù)，當(dāng)進(jìn)閥溫度超高時(shí)閉鎖直流，保護(hù)換流閥設(shè)備。進(jìn)閥溫度超高保護(hù)定值可根據(jù)公式(1)進(jìn)行計(jì)算，并在此在計(jì)算值基礎(chǔ)上取整后留有1～2 ℃安全裕度[11]。

(1)

進(jìn)閥溫度保護(hù)延時(shí)按以下原則確定：

a)進(jìn)閥溫度高報(bào)警定值比進(jìn)閥溫度超高報(bào)警/跳閘保護(hù)定值低2～3 ℃；進(jìn)閥溫度高報(bào)警及跳閘延時(shí)應(yīng)不超過3 s，高報(bào)警延時(shí)應(yīng)少于超高跳閘延時(shí)，進(jìn)閥溫度高報(bào)警延時(shí)建議取2 s，進(jìn)閥溫度超高跳閘延時(shí)建議取3 s。

b)進(jìn)閥溫度低報(bào)警為避免換流閥結(jié)凍風(fēng)險(xiǎn)，通常取冰點(diǎn)以上5～10 ℃的安全裕度，因此進(jìn)閥溫度低報(bào)警定值建議取10 ℃，進(jìn)閥溫度低報(bào)警延時(shí)應(yīng)不超過3 s，建議取2 s。

2.1.2 出閥溫度保護(hù)

出閥溫度保護(hù)配置有出閥溫度高報(bào)警、出閥溫度超高報(bào)警[12]。換流閥的熱量全部通過內(nèi)冷水帶出(閥廳空調(diào)散熱部分可忽略)，直觀反映為內(nèi)冷水經(jīng)換流閥后溫度升高。因整個(gè)傳熱過程介質(zhì)無相變發(fā)生，可根據(jù)傳熱公式(2)計(jì)算得到出閥溫度，結(jié)合進(jìn)閥溫度高報(bào)警和超高報(bào)警定值，確定出閥溫度高報(bào)警及超高報(bào)警保護(hù)定值，并在此計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上取整后留有1～2 ℃安全裕度。

Tout=Q/MC+Tin.

(2)

式中：Q為換流閥發(fā)熱功率，單位kW；M為額定進(jìn)閥流量，單位kg/h；C為介質(zhì)比熱，單位kJ/(kg·℃)；Tin為進(jìn)閥溫度，單位℃。

出閥溫度保護(hù)的動(dòng)作延時(shí)應(yīng)少于晶閘管換流閥過熱允許時(shí)間。出閥溫度高報(bào)警及超高報(bào)警延時(shí)應(yīng)不超過3 s，高報(bào)警延時(shí)應(yīng)少于超高報(bào)警延時(shí)，出閥溫度高報(bào)警延時(shí)建議取2 s，出閥溫度超高報(bào)警延時(shí)建議取3 s。

2.2 流量類保護(hù)定值整定方法

流量類參數(shù)主要包括冷卻水流量、去離子水流量和噴淋水流量。冷卻水流量為閥冷系統(tǒng)主要運(yùn)行參數(shù)，包含報(bào)警/跳閘保護(hù)；去離子水流量和噴淋水流量主要含報(bào)警保護(hù)，不宜進(jìn)行跳閘保護(hù)[13]。

流量保護(hù)定值應(yīng)包括：冷卻水流量低報(bào)警定值、冷卻水流量超低報(bào)警/跳閘定值、冷卻水流量高報(bào)警定值、去離子水流量低報(bào)警跳閘定值、噴淋水流量低報(bào)警定值、噴淋水流量高報(bào)警定值等。

冷卻水流量可根據(jù)公式(3)進(jìn)行計(jì)算，并在此在計(jì)算值基礎(chǔ)上取整。

(3)

進(jìn)閥流量低保護(hù)定值可結(jié)合進(jìn)出閥溫差范圍根據(jù)公式(3)進(jìn)行計(jì)算。通常情況下，進(jìn)閥流量低報(bào)警定值不宜低于額定流量的95%，進(jìn)閥流量超低報(bào)警定值不宜低于額定流量的90%，冷卻水流量低保護(hù)延時(shí)應(yīng)超過主循環(huán)泵切換不成功再切回原泵的時(shí)間，建議取10 s。

進(jìn)閥流量高保護(hù)定值可結(jié)合進(jìn)出閥溫差范圍根據(jù)公式(3)進(jìn)行計(jì)算。通常情況下，進(jìn)閥流量超高報(bào)警定值不宜高于額定流量的105%，冷卻水流量高時(shí)對換流閥散熱影響略小，冷卻水流量高報(bào)警延時(shí)大于流量低報(bào)警延時(shí)，建議取60 s。

去離子回路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證去離子回路具備在2～3 h內(nèi)將內(nèi)冷卻水循環(huán)1遍的能力，宜按照主回路流量的2%～5%進(jìn)行選取。去離子回路流量降低往往可以側(cè)面反映去離子回路精密過濾器臟堵情況，流量低報(bào)警用于提醒清洗濾芯，為避免誤動(dòng)，延時(shí)建議取30 s。

噴淋水額定流量根據(jù)閥冷廠家提供的冷卻塔技術(shù)參數(shù)來確定，噴淋水流量高報(bào)警定值不宜高于噴淋水額定流量的120%，噴淋水流量低報(bào)警定值不宜高于噴淋水額定流量的80%。

2.3 壓力類保護(hù)定值整定方法

壓力類參數(shù)主要包括進(jìn)閥壓力、出閥壓力、膨脹水箱壓力，均為閥冷系統(tǒng)主要運(yùn)行參數(shù)，均包含報(bào)警保護(hù)；其中進(jìn)閥壓力、出閥壓力結(jié)合冷卻水流量進(jìn)行跳閘保護(hù)[14]。

壓力保護(hù)定值應(yīng)包括：進(jìn)閥壓力高報(bào)警定值、進(jìn)閥壓力超高報(bào)警定值、進(jìn)閥壓力低報(bào)警定值、進(jìn)閥壓力超低報(bào)警定值、出閥壓力高報(bào)警定值、出閥壓力低報(bào)警定值、出閥壓力超低報(bào)警定值、膨脹水箱壓力高報(bào)警定值、膨脹水箱壓力超高報(bào)警定值、膨脹水箱壓力低報(bào)警定值和膨脹水箱壓力超低報(bào)警定值等。

進(jìn)出閥壓力與循環(huán)泵設(shè)備特性、進(jìn)閥前管路、穩(wěn)壓罐壓力有關(guān)(出閥壓力還與閥塔損失有關(guān))，進(jìn)閥流量應(yīng)控制在不同的范圍，查詢不同流量下泵的曲線、泵出口至進(jìn)閥管路壓力損失、閥塔損失，根據(jù)公式(4)—(8)可得到允許進(jìn)閥流量下進(jìn)出閥壓力的波動(dòng)范圍，在此基礎(chǔ)上考慮一定余量并取整，即可確定進(jìn)出閥壓力保護(hù)定值。

P2=Pp-ΔP.

(4)

Pp=Ps+P1.

(5)

ΔP=Pf+Pj.

(6)

Pf=i×L.

(7)

Pj=∑ξ×v2/2g.

(8)

式中：P2為進(jìn)閥/出閥的壓力，單位MPa；ΔP為泵出口至進(jìn)閥/出閥的管路壓力損失，單位MPa；P1為工況流量下泵的揚(yáng)程，單位MPa；Pf為泵出口至進(jìn)閥/出閥的管路沿程水力損失，單位MPa；Pj為泵出口至進(jìn)閥/出閥的管路局部水力損失，單位MPa；i為單位管路長度的水力損失，單位MPa/m；L為閥冷系統(tǒng)的冷卻水管路長度，單位m；ξ為局部阻力系數(shù)；v為液體的平均流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；Pp為泵出口壓力；Ps為膨脹水箱目標(biāo)壓力值。

閥冷系統(tǒng)壓力建立所需時(shí)間在1 s左右，故建議：進(jìn)閥壓力低報(bào)警、進(jìn)閥壓力超低報(bào)警、進(jìn)閥壓力高報(bào)警和進(jìn)閥壓力超高報(bào)警，以及出閥壓力保護(hù)低報(bào)警、出閥壓力超低報(bào)警、出閥壓力高報(bào)警延時(shí)均取2 s。

結(jié)合閥廳最高處管路距主循環(huán)泵入口處高度差形成的壓差作為膨脹水箱壓力控制目標(biāo)值，可根據(jù)公式(9)計(jì)算該值，即

Ps=ρg(Z2-Ζ1).

(9)

式中：Ζ1為泵入口距地面高度，單位m；Z2為閥廳管路最高點(diǎn)距地面高度，單位m；ρ為介質(zhì)密度，單位kg/m3。

在膨脹水箱目標(biāo)壓力值基礎(chǔ)上上下分別留有0.02～0.05 MPa左右的范圍，用于排氣電磁閥啟/閉和補(bǔ)氣電磁閥啟/閉，以避免排氣和補(bǔ)氣電磁閥頻繁動(dòng)作；在排氣電磁閥開啟定值基礎(chǔ)上向上留有0.02～0.05 MPa左右確定為膨脹水箱壓力高報(bào)警定值和膨脹水箱壓力超高報(bào)警定值；在補(bǔ)氣電磁閥開啟定值基礎(chǔ)上向下留有0.02～0.05 MPa左右確定為膨脹水箱壓力低報(bào)警定值和膨脹水箱壓力超低報(bào)警定值。

為防止補(bǔ)氣和排氣過程中電磁閥關(guān)閉對膨脹水箱壓力沖擊性的影響，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，膨脹水箱壓力保護(hù)延時(shí)建議為10 s。

1.4 液位類保護(hù)定值整定方法

液位類參數(shù)主要包括高位水箱液位、膨脹水箱液位、補(bǔ)水罐液位。高位水箱液位、膨脹水箱液位為閥冷系統(tǒng)主要運(yùn)行參數(shù)，包含報(bào)警/跳閘保護(hù)；補(bǔ)水罐液位主要含報(bào)警保護(hù)[15]。

液位保護(hù)定值應(yīng)包括：高位水箱液位低報(bào)警定值、高位水箱液位超低報(bào)警定值、高位水箱液位高報(bào)警定值、膨脹水箱液位低報(bào)警定值、膨脹水箱液位超低報(bào)警定值、膨脹水箱液位高報(bào)警定值、補(bǔ)水罐液位低報(bào)警定值等。

高位水箱與膨脹水箱保護(hù)定值設(shè)定原則一致，均需保證無論何種穩(wěn)定下不出現(xiàn)高位水箱內(nèi)滿水或無水的現(xiàn)象。

可根據(jù)公式(10)可計(jì)算得到因溫度變化引起的膨脹水箱液位變化ΔH。為降低高位水箱液位不足或液位過高對系統(tǒng)造成的影響，并留有足夠的處理時(shí)間，從高位水箱50%液位開始，分別向上和向下取值，其范圍作為高位水箱的正常液位變化范圍(大于ΔH)；在此基礎(chǔ)上取5%左右的液位余量，作為高位水箱的液位高報(bào)警和液位低報(bào)警定值。

(10)

式中：H1為溫度t1時(shí)膨脹水箱液位，單位m；H2為溫度為t2時(shí)膨脹水箱液位，單位m；m為閉式系統(tǒng)內(nèi)冷水質(zhì)量，單位kg；ρ1為溫度t1時(shí)介質(zhì)密度，單位kg/m3；ρ2為溫度t2時(shí)介質(zhì)密度，單位kg/m3；D為膨脹水箱內(nèi)徑，單位m。

膨脹水箱液位低報(bào)警定值宜為膨脹水箱液位的30%，膨脹水箱液位超低報(bào)警定值宜為膨脹水箱也液位的10%；膨脹水箱液位高報(bào)警定值宜為膨脹水箱也液位的80%。

為防止補(bǔ)水泵啟停對高位水箱液位沖擊性的影響，高位水箱液位保護(hù)延時(shí)建議取10 s。補(bǔ)水罐液位低報(bào)警定值宜為補(bǔ)水罐液位的20%，延時(shí)時(shí)間建議為5 s。

1.5 電導(dǎo)率類保護(hù)定值整定方法

電導(dǎo)率類參數(shù)主要包括冷卻水電導(dǎo)率、去離子水電導(dǎo)率、噴淋水電導(dǎo)率。冷卻水電導(dǎo)率為閥冷系統(tǒng)主要運(yùn)行參數(shù)，包含報(bào)警/跳閘保護(hù)；去離子水電導(dǎo)率和噴淋水電導(dǎo)率主要含報(bào)警保護(hù)，不宜進(jìn)行跳閘保護(hù)[16]。

電導(dǎo)率保護(hù)定值應(yīng)包括：冷卻水電導(dǎo)率高報(bào)警定值、冷卻水電導(dǎo)率超高報(bào)警定值、去離子水電導(dǎo)率高報(bào)警定值、噴淋水電導(dǎo)率高報(bào)警定值等。

控制電導(dǎo)率可以通過控制泄漏電流來實(shí)現(xiàn)，泄漏電流宜控制在4 mA以內(nèi)；泄漏電流可根據(jù)公式(11)進(jìn)行計(jì)算，并在此在計(jì)算值基礎(chǔ)上取整。

(11)

式中：S為冷卻水管內(nèi)孔面積，單位mm2；KH2O為內(nèi)冷水的電導(dǎo)率；U為晶閘管層間或水冷板冷卻水管進(jìn)/出口電壓差，單位V。

冷卻水電導(dǎo)率高報(bào)警定值設(shè)定應(yīng)不大于0.5 μS/cm(25 ℃時(shí))，冷卻水電導(dǎo)率超高報(bào)警定值設(shè)定應(yīng)不大于0.7 μS/cm(25 ℃時(shí))，延時(shí)建議取30 s。

去離子水電導(dǎo)率高報(bào)警定值設(shè)定應(yīng)不大于0.3 μS/cm(25 ℃時(shí))、冷卻水電導(dǎo)率超高報(bào)警定值設(shè)定應(yīng)不大于0.5 μS/cm(25 ℃時(shí))，延時(shí)建議取30 s。

噴淋水電導(dǎo)率設(shè)定應(yīng)不大于4 000 μS/cm(25 ℃時(shí))，延時(shí)建議取300 s。

3 結(jié)束語

針對高壓直流換流閥冷卻系統(tǒng)保護(hù)定值整定缺乏理論依據(jù)、保護(hù)定值設(shè)置不合理、保護(hù)延時(shí)配合不當(dāng)?shù)葐栴}開展研究[17-18]，本文系統(tǒng)地提出了閥冷系統(tǒng)保護(hù)定值的整定方法。

通過全面調(diào)研了國內(nèi)主流閥冷廠家的保護(hù)配置情況，歸納出溫度、流量、壓力、液位、電導(dǎo)率等5種保護(hù)類型，以及高報(bào)警、低報(bào)警、高跳閘、低跳閘等定值類型；結(jié)合閥冷系統(tǒng)保護(hù)原理，推導(dǎo)出各類閥冷保護(hù)定值的理論計(jì)算公式；考慮不同保護(hù)配合原則、不同定值類型的配合關(guān)系等影響因素，詳細(xì)提出了各類保護(hù)延時(shí)的選取方法。該方法已在滇西北特高壓直流工程新松換流站現(xiàn)場應(yīng)用，投運(yùn)一年來運(yùn)行穩(wěn)定，未發(fā)生閥冷保護(hù)定值不合理缺陷，可為新建直流工程閥冷保護(hù)定值整定及在運(yùn)工程保護(hù)定值規(guī)范化管理[19-21]提供參考，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和推廣價(jià)值。