西北低溫氣候對直流換流站設備運行的影響及應對措施研究

王豪舟

摘 要：本文重點分析了低溫對換流站充氣設備、閥外冷系統及充油設備的影響，并對此提出一些合理化建議，以期對后續低溫環境下新建直流工程有一定借鑒意義。

關鍵詞：充氣設備；閥外冷；充油設備；低溫

0 引言

低溫是西北地區一種非常突出的氣候，冬季最低氣溫可低至零下36℃～45.7℃，對換流站正常穩定運行是一個極大挑戰，研究低溫對直流換流站設備的影響很有必要。本文重點分析了低溫對換流站充氣設備、閥外冷系統以及充油設備的影響，并對其中存在的問題提出了一些合理化建議，希望能對相關設備的運維管理及設備穩定運行起到一定的作用，并對以后在同等低溫環境下新建直流工程有一定的參考價值和借鑒意義。

1 低溫對充氣設備的影響分析

換流站中有很多充氣設備，以天山換流站為例，500kV GIS、交流濾波場、750kV區域所用的斷路器以及直流場的直流分壓器、閥側套管均為充氣設備（所充氣體均為SF6）。因此，充氣設備在換流站中起著非常重要的作用，SF6氣體受溫度影響較大，分析低溫對充氣設備的影響很有必要。

1.1SF6氣體的特殊性與低溫的關系

臨界溫度是SF6氣體出現液化的最高溫度，臨界壓力表示在這個溫度下出現液化所需的氣體壓力。SF6氣體在通常使用條件下，它有液化的可能性，因此SF6不能在過低溫度下使用。

1.2SF6氣體壓力降低會導致的后果

天山換流站500kV GIS開關SF6額定壓力值為0.5MPa，報警壓力值為0.45MPa，若溫度低到一定范圍，則會使SF6壓力低于報警值，SF6低壓閉鎖繼電器得電，節點斷開，斷路器控制回路斷開，如果這時線路發生故障，保護啟動后，而斷路器不能可靠動作，將會引起事故擴大，造成保護越級動作或者設備損壞事故發生。

1.3針對低溫對氣體壓力影響采取的措施

為了防止上述事故的發生，保證戶外斷路器在冬季能夠安全運行，通過分析，可采取如下措施：對SF6氣體加熱；降低所充SF6氣體壓力；將所充氣體由SF6氣體變為SF6與N2的混合氣體；將普通壓力表更換為密度繼電器。

1.3.1增加罐體加熱裝置

以天山換流站為例，500kV GIS、交流濾波場、750kV區域斷路器均有伴熱帶加熱裝置，加熱裝置由饒性加熱板、隔熱板、保溫板、防護罩組成，每個加熱裝置中包括兩個LDB-C型加熱板，通過電纜與裝在LCP柜內的溫控器連接，實現遠距離控制。

當加熱裝置內部溫度低于設定溫度時，裝置自動投入，開始加熱，熱量通過斷路器伴熱帶金屬外殼傳遞給斷路器內部的SF6氣體，當加熱裝置內部溫度達到設定溫度時，溫控裝置自動停止，開始保溫。當溫控器或電流繼電器失靈時，可通過強投開關強啟加熱裝置，各區域斷路器伴熱帶加熱裝置的溫度啟停值如表1所示。當伴熱帶報警采用電流監視時，凡是能引起電流波動以至于超出電流隔離器監測范圍時，其啟動裝置都會啟動；如果采用節點方式，只有當相應繼電器失電，其節點才會斷開，可靠性較低。

1.3.2降低SF6氣體壓力

由SF6氣體特殊性與低溫關系可知，SF6氣體壓力越小，液化溫度越低，SF6氣體越不易液化。本站GIS設備為西開產品，斷路器SF6氣體壓力與其余氣室SF6氣體壓力均比其他換流站偏小，目的為應對哈密地區冬季特殊低寒氣候。西開500kV GIS氣室壓力與液化溫度對應關系如表2所示。對于斷路器氣室壓力而言，還需要通過加熱等方法防止氣體液化；對于其他氣室而言，因為其氣體壓力對應的液化溫度過低，基本不存在液化現象，因此不用采取其他措施防止SF6氣體液化。

1.3.3所充氣體為混合氣體

為了降低低溫對SF6氣體的影響，可通過充混合氣體的方式來降低氣體的液化溫度。考慮到純的SF6氣體作為絕緣介質的缺點和實際應用情況，工業上一般采用SF6和N2的混合氣體。首先，N2的液化溫度較低，其次，N2的成本很低，這樣就降低了SF6和N2混合氣體的成本，開辟了SF6和N2混合氣體的應用領域。

1.3.4將普通壓力表更換為密度繼電器

由于SF6氣體壓力隨著溫度的變化而變化，用普通壓力表來監視SF6氣體壓力的泄漏，在正常運行中分不清是由于真正存在氣體泄漏，還是由于環境溫度而造成對SF6氣體壓力的變化，而密度繼電器只反映SF6氣體密度的變化，它能自動修正溫度對壓力變化的影響，所以將普通壓力表更換為密度繼電器后就可消除上述影響。

2 低溫對閥外冷系統的影響分析

低溫對閥冷卻系統的主要影響是直流停運或低負荷運行期間，可能導致管道凍壞的情況。哈密地區冬季氣溫一般在-20℃，歷史最低為-32℃。換流站在使用高純水作為冷卻介質的同時，水冷系統必須采取相關的防凍策略，天山站采取相應措施如下。

2.1電加熱器配置

在常規直流內冷回路中裝設加熱器的基礎上，增設室外部分內冷管道式加熱器，并且確保了加熱器電源的可靠性。

2.2電動三通閥控制

設置電動三通閥，通過控制電動三通閥的閥門開度大小來調節室外回路和室內旁路的流量比例，即實現內外循環切換。

2.3空氣冷卻器防凍棚

空氣冷卻器四周設置防凍棚，防凍棚內還設有暖風機，通過室外防凍棚及內部暖風機的保護，用于冬天水冷管道防凍。冬季防凍棚根據需要全部或適量關閉保溫，夏季敞開散熱。

2.4增加戶外排空閥

冬季氣候寒冷直流停運且因站用電或主泵故障兩臺主泵都停運時，可將內冷水處于室外空氣冷卻器、冷卻塔盤管及管道內部分介質通過泄空閥快速排空以防止結冰損壞管道，作為防凍的后備措施。

2.5增加保溫棉

水外冷系統中有25米的的管道長期置于室外，管道中冷卻水受外界溫度影響很大。天山換流站要求水進閥溫度不得小于10℃。由于哈密地區一天的晝夜溫差很大，尤其每年冬季這一變化更為明顯。為達到進閥溫度不小于10℃、水冷系統水循環正常運行、不結冰等要求，除了對管道進行加熱等以上措施外，還對戶外管道增加保溫棉作為輔助措施，盡量減少熱量散失；另外站內還配置了大功率的暖風機，以備不時之需。

3 低溫對充油設備的影響分析

以天山換流站為例，交流濾波場電容器、750kV聯絡變壓器及750kV并聯電抗器，在高寒地區（最低溫度-32℃），應充分考慮其外部組件以及內部絕緣介質的耐寒性，否則將會嚴重影響戶外充油設備的正常運行。

3.1低溫對充油設備的影響

低溫對充油設備的影響主要體現在對充油設備液體介質的影響。在冬天夜晚，西北地區氣溫很低，可能直至極限低溫，隨著溫度降低，充油設備內絕緣材料絕緣性能下降。

3.2針對低溫對充油設備影響的解決方案

研究表明，液體介質的凝固點溫度、溫度降低引起粘度的變化又是液體介質電氣性能變化的主要因素。因此，用凝固點溫度低、粘度低的液體介質浸漬充油設備是使充油設備有優良低溫電氣性能的最佳方案。

4 總結

本文針對西北地區低溫氣候特點，重點分析低溫對換流站充氣設備、閥外冷系統以及充油設備的影響以及可行的改進措施，希望對類似環境下新建直流換流站相關設備的設計、調試、運行和維護起到一定的借鑒意義。由于天山站投運時間比較短，沒有更具體的數據、事例進行更進一步的分析，更多問題留待后期解決。

參考文獻

[1] 國家電網公司運行分公司特高壓直流換流站崗位培訓教程一次設備.中國電力出版社.

[2] 趙畹君.高壓直流輸電工程技術.中國電力出版社.