靜止無功補(bǔ)償裝置冷卻系統(tǒng)的邏輯優(yōu)化

張 磊，王文彬，葉振江，魯紹軍，張建民，韓 君

（北京首鋼股份有限公司，河北遷安 064404）

引言

靜止無功補(bǔ)償裝置（Static Var Compensator，以下簡(jiǎn)稱SVC），區(qū)別于傳統(tǒng)無功補(bǔ)償方式（即通過開關(guān)投切電容器或者通過分接開關(guān)調(diào)節(jié)電容器端電壓），SVC 屬于動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償產(chǎn)品，它具有最快10ms的響應(yīng)速度。根據(jù)可調(diào)電抗器的調(diào)節(jié)方式及工作原理不同，分為TCR 型（晶閘管控制的電抗器）、TCT型（晶閘管控制的變壓器）、MCR 型（磁控電抗器）3種類型。

首鋼股份公司軋鋼系統(tǒng)配套SVC 為TCR+FC（固定電容器）型，容量60 MVar，實(shí)現(xiàn)對(duì)無功的最優(yōu)補(bǔ)償，對(duì)軋鋼時(shí)電壓波動(dòng)、閃變進(jìn)行有效抑制。這種大功率半導(dǎo)體器件工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，會(huì)導(dǎo)致元件溫度升高，溫度超過所允許的最高值，會(huì)導(dǎo)致元件性能極度惡化，甚至損壞。以晶閘管5STP 42U6500 為例，當(dāng)殼溫由70 ℃升高到80 ℃時(shí)，器件工作時(shí)的通態(tài)平均電流ΙT（AV）M由3 460 A 下降到 2 840 A 左右，下降了17%；而如果殼溫繼續(xù)上升到90 ℃，則ΙT(AV)M將進(jìn)一步下降到2 180 A，即定額電流下降了37%[1]。此外，當(dāng)溫度由50 ℃升高到100 ℃時(shí)，晶閘管1 000 h 故障率（Failure rate/1 000 h）將由0.001 提高到0.1 左右，故障率提高近100 倍[2]。因此，SVC 裝置的冷卻設(shè)備對(duì)提高運(yùn)行可靠性和SVC設(shè)備壽命有重要作用。

近年的研究均表明液體冷卻，特別是水冷，由于水的熱容量為空氣的5 300 倍，而其導(dǎo)熱系數(shù)比空氣高一兩個(gè)數(shù)量級(jí)，所以水冷被視為最有效的冷卻方式[3]。水冷設(shè)備雖然做為輔助設(shè)備，但在實(shí)際運(yùn)行中影響到整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，首鋼股份公司SVC 自投產(chǎn)以來，運(yùn)行近3 年的時(shí)間里，曾發(fā)生過多次系統(tǒng)故障報(bào)警及停機(jī)事故。

1 SVC水冷設(shè)備工作原理

因水冷具有優(yōu)異的散熱性能，高可靠性，且對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，所以SVC 裝置冷卻系統(tǒng)多采用水-水或水-風(fēng)的方式。首鋼軋鋼廠SVC 裝置使用水-風(fēng)冷卻方式，其工作原理如圖1所示。

圖1 水冷-風(fēng)冷卻系統(tǒng)示意圖

主要設(shè)備有水冷晶閘管閥組、主循環(huán)冷卻回路（水泵兩臺(tái)及過濾器）、去離子水處理回路、高位水箱（穩(wěn)壓系統(tǒng)）、補(bǔ)水裝置、外循環(huán)冷卻系統(tǒng)（水風(fēng)空氣冷卻器）、冷卻介質(zhì)及管路、電氣控制系統(tǒng)等組成。流程原理如下：

冷卻系統(tǒng)采用全密閉循環(huán)形式，冷卻介質(zhì)為純水與乙二醇的混合液，保證最低環(huán)境溫度下循環(huán)管路不出現(xiàn)結(jié)凍。恒定壓力和流量的冷卻介質(zhì)源源不斷流經(jīng)晶閘管，冷卻介質(zhì)溫度上升并將被冷卻器件（晶閘管）產(chǎn)生的熱量帶出，經(jīng)主循環(huán)泵后與室外外循環(huán)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行熱交換，使冷卻介質(zhì)溫度降低至所需要的合理范圍后再次流入被冷卻器件，形成冷卻介質(zhì)的閉式循環(huán)。

運(yùn)行中按照設(shè)定要求輸出溫度、壓力、流量、水質(zhì)等各項(xiàng)純水參數(shù)并在工控機(jī)上在線顯示，實(shí)現(xiàn)智能控制，從而給大功率電力電子裝置安全運(yùn)行提供可靠的保證。

外循環(huán)冷卻系統(tǒng)配備風(fēng)冷散熱器一臺(tái)、冷卻風(fēng)機(jī)8臺(tái)（分4組運(yùn)行）。根據(jù)進(jìn)閥組前水溫T入（測(cè)點(diǎn)位置見圖1）選擇不同的方式啟動(dòng)冷卻風(fēng)機(jī)。冷卻風(fēng)機(jī)初設(shè)參數(shù)如下：

當(dāng)進(jìn)閥水溫度T入≥35 ℃時(shí)，啟動(dòng)第一組風(fēng)機(jī)，T入≤30 ℃時(shí)停止；

當(dāng)進(jìn)閥水溫度T入≥38 ℃時(shí)，啟動(dòng)第二組風(fēng)機(jī)，T入≤35 ℃時(shí)停止；

當(dāng)進(jìn)閥水溫度T入≥42 ℃時(shí)，啟動(dòng)第三組風(fēng)機(jī)，T入≤38 ℃時(shí)停止；

當(dāng)進(jìn)閥溫度度T入≥45 ℃時(shí)，啟動(dòng)第四組風(fēng)機(jī)，T入≤42 ℃時(shí)停止。

2 問題分析

該裝置自投產(chǎn)以來，在運(yùn)行近3年的時(shí)間里，曾發(fā)生過多次系統(tǒng)故障報(bào)警和停機(jī)事故。經(jīng)分析，報(bào)警故障多為風(fēng)冷電機(jī)損壞導(dǎo)致冷卻介質(zhì)溫度升高所致；停機(jī)事故為夏季多臺(tái)風(fēng)機(jī)電機(jī)故障導(dǎo)致冷卻效果降低，引起進(jìn)閥冷卻水溫度≥58 ℃觸發(fā)保護(hù)，導(dǎo)致設(shè)備停運(yùn)。針對(duì)風(fēng)機(jī)電機(jī)引起的報(bào)警和停機(jī)故障，我們對(duì)風(fēng)機(jī)電機(jī)損壞情況分析如下：

（1）風(fēng)機(jī)電機(jī)為角接形式，額定電流8.5 A，在正常啟動(dòng)過程中實(shí)測(cè)瞬時(shí)電流可達(dá)到40 A 以上，啟動(dòng)電流達(dá)到額定的5 倍以上，頻繁啟動(dòng)是造成電機(jī)損壞的直接原因。

（2）夏季因室外溫度高，水冷系統(tǒng)冷卻介質(zhì)溫度長(zhǎng)期在32～39 ℃之間，第一組風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行，當(dāng)溫度高于38 ℃度時(shí)，第二組風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，進(jìn)閥溫度降至35 ℃時(shí)停止。7 月份時(shí)第二組風(fēng)機(jī)出現(xiàn)頻繁啟停。如圖2 所示，在1 h 內(nèi)，第二組風(fēng)機(jī)啟停達(dá)到8 次，風(fēng)機(jī)平均啟動(dòng)3.5 min，停3.5 min，又再次啟動(dòng)。

圖2 夏季進(jìn)閥水溫度曲線

（3）冬季因室外溫度低，水冷系統(tǒng)冷卻介質(zhì)溫度在27～37 ℃之間波動(dòng)，進(jìn)閥冷卻介質(zhì)溫度超過35 ℃時(shí)啟動(dòng)第一組風(fēng)機(jī)，但因環(huán)境溫度原因，冷卻介質(zhì)溫度變化快，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)短時(shí)間（70 s 左右）內(nèi)溫度下降至30 ℃，風(fēng)機(jī)停運(yùn)，70～80 s 左右，冷卻介質(zhì)溫度又升高到35 ℃，風(fēng)機(jī)又開始啟動(dòng)，第一組風(fēng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間頻繁啟動(dòng)。12月第一組風(fēng)機(jī)啟停次數(shù)如圖3所示，在1 h 內(nèi)，第一組風(fēng)機(jī)啟停達(dá)到17 次，風(fēng)機(jī)平均啟動(dòng)80 s，停80 s，又再次啟動(dòng)。

圖3 冬季進(jìn)閥水溫度曲線

綜上所述，冷卻風(fēng)機(jī)啟停設(shè)定值區(qū)間較小，當(dāng)?shù)貥O端天氣條件下，風(fēng)機(jī)短時(shí)間內(nèi)頻繁過電流啟動(dòng)，是造成電機(jī)燒毀的主要原因。

3 改進(jìn)邏輯設(shè)計(jì)

3.1 初步措施

針對(duì)這種情況，前期我們的解決方法是，夏季將第二組風(fēng)機(jī)的停運(yùn)值降低，由35 ℃修改為32 ℃，保證二組風(fēng)機(jī)的運(yùn)行時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)；冬季將一組風(fēng)機(jī)的停運(yùn)值降低，由30 ℃修改為24 ℃，保證一組風(fēng)機(jī)的運(yùn)行時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)。

從2018年的運(yùn)行情況來看，未發(fā)生電機(jī)燒毀的問題。

3.2 升級(jí)措施

上述運(yùn)行方式，需要在換季時(shí)進(jìn)行設(shè)定值的修改，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且人為在線修改設(shè)定值易引發(fā)誤操作帶來的設(shè)備停運(yùn)，不利于設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

鑒于上述原因和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，考慮在外循環(huán)冷卻系統(tǒng)附近增加測(cè)溫點(diǎn)，將環(huán)境溫度引入邏輯回路中，讓風(fēng)機(jī)啟停的設(shè)定值隨環(huán)境溫度的變化自動(dòng)調(diào)整。參考設(shè)計(jì)資料，當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度最低-25 ℃，最高38℃。

第一組風(fēng)機(jī)的停運(yùn)設(shè)定值設(shè)置修改為：

當(dāng)環(huán)境溫度-25 ℃≤T≤-13 ℃時(shí)，第一組風(fēng)機(jī)停運(yùn)設(shè)定值為24 ℃；

當(dāng)環(huán)境溫度在-13 ℃≤T≤25 ℃變化時(shí)，第一組風(fēng)機(jī)停運(yùn)設(shè)定值從24 ℃至30 ℃線性改變；

當(dāng)環(huán)境溫度T≥25 ℃時(shí)，第一組風(fēng)機(jī)停運(yùn)設(shè)定值為30 ℃不變化。邏輯圖如圖4所示。

圖4 改后啟停第一組風(fēng)機(jī)邏輯圖

第二組風(fēng)機(jī)的停運(yùn)設(shè)定值設(shè)置修改為：

當(dāng)環(huán)境溫度在-25 ℃≤T≤20 ℃時(shí)，第二組風(fēng)機(jī)停運(yùn)設(shè)定值為35 ℃不變；

當(dāng)環(huán)境溫度在20℃≤T≤30℃時(shí)，第二組風(fēng)機(jī)停運(yùn)設(shè)定值從35 ℃至32 ℃線性變化；

當(dāng)環(huán)境溫度T≥30 ℃時(shí)，停運(yùn)設(shè)定值為32 ℃不變化。邏輯圖如圖5所示。

第三組因投入情況較少，所以保留原邏輯不變。

因第一組風(fēng)機(jī)使用頻率較高，為保證運(yùn)行穩(wěn)定性，第四組風(fēng)機(jī)修改為兼做第一組風(fēng)機(jī)的備用風(fēng)機(jī)，當(dāng)?shù)谝唤M風(fēng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，啟動(dòng)第四組風(fēng)機(jī)進(jìn)行冷卻。邏輯圖如圖6所示。

圖5 改后啟停第二組風(fēng)機(jī)邏輯圖

圖6 改后啟停第四組風(fēng)機(jī)邏輯圖

4 結(jié)論

通過對(duì)冷卻系統(tǒng)風(fēng)機(jī)故障原因的分析，在不增加設(shè)備投資的原則下，設(shè)計(jì)實(shí)施了上述控制邏輯，降低了冷卻風(fēng)機(jī)的故障率，提高了SVC 設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性和設(shè)備壽命。