天生橋換流站換流閥水冷系統改造技術總結

雷朝煜，楊 健

（中國南方電網超高壓公司天生橋局,貴州 興義 562400）

1 概述

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

±500kV天廣直流是南方電網第一個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，其閥冷系統已運行十余年，并逐漸暴露出諸多問題，嚴重影響了該西電東送直流通道的安全穩定運行[1]，改造工程勢在必行。本文結合天生橋換流站閥冷系統國產化改造工程，對改造中的技術經驗進行了總結，對改造后暴露的問題提出了相應技術措施和改進建議，為后續同類改造工程提供參考。

2 技術準備

3 設備安裝和調試

3.1 關于傳感器及管道改造的工藝流程

高壓直流輸電通道擔負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，停電改造時間極其寶貴。同時改造中傳感器的焊接工作可能帶來密閉的水冷系統內部管道污染問題，而傳感器焊接后的加壓測試、內壁清洗等工藝現場都無法滿足要求，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。改造前首先對管道部分進行精確測繪，傳感器的在管道上的設計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按照1:1的比例進行制造，并在兩端增加法蘭盤，調試、酸洗后進行密封運輸。現場安裝前使用純水再次進行清洗去除灰塵，對原有管道進行拆除，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

高壓直流換流站對站用電的可靠性要求較高[3]，一般都會配置三路站用電源，并通過10kV和400V母線的備自投切換裝置實現電源的可靠供給。閥冷系統通過兩臺互為備用的主泵實現換流閥水冷系統不間斷運轉，當運行的主泵的控制系統監測到動力電源消失后，需及時切換電源甚至切換至備用主泵，避免閥冷系統冷卻效果不佳，進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的備自投與閥冷系統主泵動力電源的切換邏輯延時的配合試驗。

建議開展的試驗項目：兩臺主泵均正常、備用主泵檢修、備用主泵存在機械故障無法保證額定出力而其動力電源監測裝置正常時的10kV和400V備自投切換試驗。對本次改造中不滿足要求的試驗項目，通過調整低電壓監視模塊告警延時、備自投切換延時、主泵切換延時等參數得以實現。

3.3 關于主泵電機啟動電流測試與開關定值校核試驗

通過查閱主泵電機啟動電流特性曲線[4]，現場測試閥冷主泵在正常啟動、主備切換和殘壓啟動工況下電流過沖等方式，校核主泵動力電源開關過流速斷、過負荷定值并進行必要調整。

通過現場試驗發現，主泵殘壓啟動時（運行主泵正常切換至備用主泵，而備用主泵因機械故障無法運行，再次切換回運行主泵）的啟動電流峰值最大，在運行主泵失電190～360ms后再次啟動的瞬時電流Im最大，達到額定電流In的15～20倍，主泵動力電源開關過流速斷定值應大于主泵殘壓啟動時的瞬時電流最大值，且保留一定的裕度。

3.4 關于主泵動力電源回路欠壓監視繼電器的選型

主泵動力電源回路欠壓監視繼電器實時監視著主泵電源狀態，并能準確將失電情況反饋至控制系統進而引起主泵的切換，對主泵的正常運行起著至關重要的作用[5]。在國內現有的直流輸電工程中，該繼電器多采用交流供電或直流獨立供電兩種類型。

在開展合作學習時，教師要對該學科教學的形式與內容更加重視，所以在開展合作學習時，其效果與質量都會受到內容和形式所帶來的影響。對于教師而言，要結合教學目標，對教學內容進行合理選擇，進而設定出更加科學的合作目標。以此為前提，需要與學生的實際情況相結合，明確強化學習的內容與形式。對于教師而言，需要學生充分采用多種教學形式，加強規范合作與長短期合作等。而就教學的內容而言，需要確保其靈活性與多樣性，才能較好地實現合作學習的目標。

對于交流供電繼電器，由于其工作電源和被監視的動力電源回路為同一路電源，若交流系統出現短時的電壓波動后恢復正常（低于繼電器工作電源電壓的70%），可能會造成繼電器誤發主泵故障信息，當閥冷控制系統檢測到兩臺主泵均故障時將引起直流閉鎖。由于閥冷控制保護裝置采用的是多路直流電源耦合的方式供電，且站用直流系統電壓相對穩定，因此主泵動力電源回路欠壓監視繼電器易選用直流供電的類型。

4 改造后系統冷卻能力的評估

改造后的閥冷系統能否滿足直流正常運行的需要，可通過觀測內冷水系統冷卻介質流量、溫度等參數來間接的判斷。下面是對改造前的冷卻容量評估：

4.1 換流閥發熱量的計算

換流閥的發熱量是隨著直流系統的電壓、電流運行工況條件而變化的，且無法直接測量。一般選取直流滿負荷運行時閥冷系統的運行工況來間接計算換流閥的發熱量。計算公式如下：

式中：Q——換流閥發熱量，kW

Cp——冷卻介質比熱容， J/(kg·℃)

m—冷卻介質流量，m3/h

△T—冷卻介質進出換流閥溫度差，℃

4.2 閥冷系統最大出力核算

在額定的流量、正常環境溫度、最大出閥溫度、最大發熱量和冷卻塔運行參數不變的條件下，核算冷卻介質流進換流閥（流出冷卻塔）溫度T2，T2可通過下式計算：

式中：Q——換流閥發熱量，kW

K——冷卻塔換熱盤管總傳熱系數

T1——管內入口冷卻介質溫度，℃

T2——管內出口冷卻介質溫度，℃

T2——管內出口冷卻介質溫度，℃

A——冷卻塔填料側的橫截面積，m2

公式中的盤管總傳熱系數K、Cp冷卻介質比熱容 可通過查詢其物性參數數據表計算得到。

根據現場測量和計算，天生橋換流站-500kV極1直流系統在環境濕球溫度為27.6℃時，冷卻塔全部運行和一臺冷卻塔停止運行（失去1/3冷卻容量）的情況下，冷卻介質流進換流閥的溫度T2分別為44.2℃和47.3℃，均可滿足53℃的設計要求。

綜上所述，改造后可通過閥冷系統冷卻介質流量來間接評估其冷卻能力，如冷卻介質流量比改造前下降，可適當優化冷卻塔填料側的管道結構、風機變頻器的轉速參數等，使其達到甚至優于改造前的冷卻能力。

5 幾點建議

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

（2）加強風險控制和管理的建議。由于現場情況的變化，在屏柜二次回路調試期間發生了一起站用直流接地故障，隨及時進行了處理；質量管理有待提高，在外冷水電導率傳感器支路改造時，部分雜質進入管道內，設備運轉后在狹窄部位逐漸積累并堵塞，引起外冷水電導率測量誤差。

建議后續改造工程應做好全過程的風險分析與評估，對于風險點應進行全過程的監督和控制，盡量避免改造風險，拒絕松懈與麻痹。

（3）加強現場施工與各方密切配合的建議。要加大現場施工配合力度，對現場出現的問題要及時做出反應，做好工程質量控制，避免帶來直流系統重復停電維護的麻煩。

[1]洪樂洲，江一，翁洪志，杜松軒，梁秉崗.換流站閥冷系統設計缺陷與改進措施[J].南方電網技術,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在線儀表可靠控制策略[J].廣東化工,2011,38(224):112-113.

[3]許衛剛,廖文鋒,顧舒揚.直流輸電工程站用電系統運行分析[J].高電壓技術,2016,32(09):157-159.