換流閥內冷水系統充水排氣管控方法研究

阮 暢，黃一釗，覃廣斌，許高明，丁 賽，肖瑜堃

(中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司柳州局，廣西 柳州 545006)

0 引言

換流閥是高壓直流輸電系統的核心設備之一，其中，閥冷系統是換流閥的重要輔助系統，它可將換流閥產生的熱量通過水循環傳遞到閥廳外，保證晶閘管不會因溫度過高而損毀，具有良好的冷卻效果。因此，在換流閥投入運行前，必須保證閥冷系統內冷水的各項運行指標在正常范圍內。下面對換流閥內冷水系統充水排氣管控方法進行研究，以保證換流閥安全運行。

1 閥冷系統結構

換流站的每個換流閥組均配置一套獨立的換流閥冷卻系統，如圖1所示。每套換流閥冷卻系統由內冷水處理設備、內冷主循環設備、閥外冷系統及閥廳管道四部分組成。其主要設備包括主循環泵、噴淋泵、膨脹管、精密過濾器、離子交換器、原水罐、室外蒸發式冷卻塔、以及晶閘管散熱器等重要設備[1]。

圖1 換流閥冷卻系統流程

換流閥冷卻系統的內冷水采用蒸餾水。內冷水在主循環泵的作用下進入閥廳管道，繼而進入晶閘管散熱器與IGBT發生熱交換，經加熱后的內冷水進入室外蒸發式冷卻塔內的盤管進行冷卻，降溫后的內冷水再送至換流閥，如此周而復始地循環。另外，內冷水還會經過由膨脹罐、離子交換器等組成的內冷水處理設備，對內冷主循環回路中的部分介質進行純化和脫氣。

2 內冷水系統氣體產生原因及危害

2.1 射流泵吸氣現象

由于內冷水流經各段管徑存在差異，且流速較大，若出現密封元件腐蝕損壞或者不嚴密時，在兩段不同管徑的交接處可能發生射流泵吸氣現象[2]，導致環境空氣被吸入管內，使內冷水中出現大量氣泡。吸入的氣體在主循環泵的作用下循環流動至晶閘管散熱器。在高溫、高壓的環境中，氣泡集中破裂，將會產生非常高的溫度和壓力，導致元器件因氣蝕而損壞，同時主循環泵也會產生較大的噪聲和振動。

2.2 溶解氣體析出

在進行主過濾器濾芯更換、檢查水電極等工作時，檢修人員勢必排出大量的內冷水。待工作完成后，如果原水罐液位低于原水罐總容量的25 %，則需要對原水罐進行補水。此時，所加入的蒸餾水并未經過專業處理，不可避免地會有微量空氣溶解于其中。根據亨利定律，在一定溫度下，氣體在溶液中的溶解度與液面上該氣體的平衡壓力成正比。因此，當某處壓力低于空氣的平衡壓力時，溶解于內冷水的空氣會迅速析出，產生大量的氣泡[2]。當處于用電負荷高峰期時，換流閥所產生的高溫將使內冷水發生汽化，產生大量的水蒸氣，導致元器件因氣蝕而損壞。

2.3 游離性氣體聚集

當進行蝶閥開合、主循環泵啟停、水電極檢查等工作時，將會使得內冷系統冷卻水產生較大波動，導致內冷水中出現游離的氣泡。游離的氣泡隨著內冷水循環流動，吸附在各個管道連接處或閥塔“S”型彎管處，當內冷系統出現振動時，各部位的氣泡將會聚集于管路較高處。當聚集的氣體含量較多時，大量氣體可能會進入散熱器或者主循環泵，導致設備出現異常或損壞。

3 充水排氣管控措施

在進行充水排氣前，現場人員必須詳細逐一檢查各功率模塊散熱器進、出水管連接處，各管道法蘭連接處、水電極安裝處等地方牢固可靠，并且實時監視各主水管道壓力、膨脹水箱水位、內冷水電導率等重要參數變化情況，以此為依據開展注水工作。結合現場經驗，建議還采取以下幾點充水排氣關鍵管控措施。

1) 合理控制水流速度。在進行閥冷系統管道更換后，進行管道內部氣體的排氣工作時，首先應打開該段管道最高點處排氣閥，然后緩慢打開進水端蝶閥約15°，逐漸排出空氣，直至排氣閥只有冷卻液溢出時，關閉排氣閥。最后，觀察內冷系統各參數無異常，恢復進、出水蝶閥。

2) 采用間歇式充水方法。根據文獻[3]可知，在水平管道中，氣泡顆粒數密度和粒徑相對大的氣泡所占百分比會隨時間增加而不斷減小。根據研究表明，氣泡顆粒數密度會在20～25 s時達到穩定值，氣泡的粒徑分布變化會在7 s時達到穩定。因此，為了保證充入的冷卻水中氣泡顆粒數密度及氣泡粒徑達到最低值，在進行充水時，每隔30 s充水一次。

3) 改進排氣閥門與主水管的連接結構。結合現場經驗，管道的排氣閥門采用細長的管子焊接于主水管上，管道內的氣體無法迅速排出。為了便于管道內氣體的匯集，可將排氣閥與主水管連接處改進為喇叭形狀，從而提高排氣閥收集氣體的能力。

4) 對未開展檢修維護工作的閥廳管道進行隔離。在進行水電極檢查、功率模塊更換等工作時，勢必排出閥塔中大量的內冷水。為了保證在進行充水排氣時，該閥塔中的氣泡不竄入相鄰閥塔，可關閉該閥廳所有閥塔進、出水蝶閥(主循環設備停機)，然后打開正進行檢修維護工作的閥塔進、出水蝶閥，同時手動啟動補水泵對閥塔進行補水，此時需時刻關注膨脹罐液位變化情況。待閥塔水位至最高點后，打開所有閥塔進、出水蝶閥，通過主循環泵電動的方法進行排氣即可。該方法可有效防止水流對閥塔水管的沖擊及氣泡竄入相鄰閥塔。

4 結論

換流閥內冷水充水排氣工作是換流閥檢修維護過程中最重要的環節之一，對整個換流閥的安全運行有著不容忽視的影響。以上結合實際運行維護經驗提出一些管控措施，供閥冷系統的分析檢測參考。