500 kV直流融冰兼動補裝置水冷系統現場試驗及改進

陸 翌，胡文堂，陳金法，趙啟承，金涌濤，汪 科，趙文淵

（浙江省電力試驗研究院，杭州 310014）

500 kV直流融冰兼動補裝置水冷系統現場試驗及改進

陸 翌，胡文堂，陳金法，趙啟承，金涌濤，汪 科，趙文淵

（浙江省電力試驗研究院，杭州 310014）

介紹了500 kV直流融冰兼動態無功補償系統裝置水冷系統的構造及基本原理，對現場調試時遇到的主要技術問題進行了分析，并闡述了相應的措施及修改方案。

直流融冰；晶閘管；水冷系統；現場調試；試驗分析

直流融冰兼動態無功補償裝置（以下簡稱融冰兼動補裝置）安裝于浙江電網西南部的樞紐變電站—500 kV雙龍變。該裝置采用6相12脈可控整流電路，平時工作為無功補償模式，正常輸出無功范圍為2～90 Mvar（容性無功）；當切換到直流融冰模式時，可為覆冰線路提供5 kA的直流融冰電流[1]。其晶閘管閥組采用水冷卻，換熱器采用“風－水換熱”方式。因晶閘管閥組在融冰時有大電流通過，因此水冷系統對整個系統的正常運行有著重要的影響[2]。

1 系統介紹

1.1 晶閘管閥水路設計

為降低水壓力、提高流速，晶閘管閥散熱水路采用并聯式。每個并聯支路均由1個晶閘管散熱器和水冷電阻串接而成（水路上串接）。每個橋臂（正、負橋臂）均設一段進水管和出水管（如圖1所示）。晶閘管散熱水路材料采用高壓直流輸電上常用的PVDF（聚偏乙烯）。與各相閥散熱水路相連的主水管采用不銹鋼材料。

圖1 晶閘管閥散熱水路

1.2 系統組成

水冷系統如圖2所示，主要由主循環冷卻回路、去離子水處理、補水回路、氮氣穩壓系統和控制系統等5個部分組成。去離子水處理、補水回路和氮氣穩壓系統合稱副循環回路。

圖2 水冷系統結構圖

主循環回路主要包括2臺一用一備的主循環泵、電動三通閥、風冷換熱器等。控制器自動控制主循環泵的啟停，每30天主動切換一次以提高使用壽命，同時根據實際情況輸出預警及跳閘信號。風冷換熱器通過目標溫度設定值及當前供水溫度來控制。電動三通閥的開閉通過設定工作溫度范圍來控制，自動調整進入風冷換熱器的水的比例，使水溫符合要求。

去離子水處理、補水回路包括離子交換器、三通球閥、加水泵等。離子交換器不斷凈化副循環回路中的離子，保證冷卻介質具備極高的電阻率。進入去離子水處理回路的水流量大小可以通過球閥調節。氮氣穩壓系統包括緩沖罐、氣路電磁閥、氮氣瓶等。

1.3 系統工作原理

主循環泵將壓力和流速恒定的純水送至要冷卻的電力電子器件，升溫后的純水通過風冷換熱器進行二次散熱，散熱后回流至主循環泵進口，形成密閉循環的閉環冷卻系統。為適應裝置在高壓條件下的使用要求，防止在高壓環境產生漏電流，冷卻介質必須具備極高的電阻率。因此在主循環冷卻回路上并聯了副循環去離子水回路。預設定流量的部分冷卻介質流經離子交換器，不斷凈化管路中可能析出的離子，然后通過緩沖罐，與主循環回路冷卻介質在高壓主循環泵前合流。與離子交換器連接的補水裝置和與緩沖罐連接的氮氣恒壓系統共同保持管路中充滿冷卻介質并與空氣隔絕。氣路電磁閥由控制器控制，根據緩沖罐壓力高低限值自動開關，從而使緩沖罐的壓力穩定在一定范圍內，并保證整個水冷系統維持一定的靜壓。

2 現場試驗及改進

設備安裝完成后，調試人員對水冷系統進行了6個大項的現場試驗，分為安裝檢查、水耐壓試驗、絕緣強度試驗、通信接口試驗、控制保護功能試驗以及連續運行試驗等。現就試驗過程中遇到的幾個主要技術問題進行分析并提出改進措施，為進一步推進直流融冰技術及類似工程建設和系統調試積累技術資料和經驗。

2.1 絕緣強度試驗

此項目采用的6相12脈晶閘管整流閥有6個相同的單相晶閘管閥，采用立式設計，豎立在一塊鋁合金板上，由支柱絕緣子支撐。唯一與接地點相連的是晶閘管閥進出水管，因此水冷系統的絕緣強度對整套裝置的絕緣至關重要。在水路管道安裝完成，沖洗并灌入純水后，以5 000 V的工頻電壓測量每相晶閘管閥進出水管的對地絕緣電阻，此時的電導率為0.45μ/cm。測量發 現1號和2號閥組的B相閥水管絕緣電阻遠小于其他相。分析認為，初次充水后管道內可能存在氣隙，由于1號和2號閥組的A，C相閥位于閥廳的四角，可能有氣泡聚集，因而造成測量阻值較大。開啟水循環系統，過濾后重新測量，電導率為0.27μ/cm，但1、2號閥組B相閥水管絕緣電阻仍偏小。再次排查原因，發現1、2號閥組中間直流側接地未拆除，實際測量得到的是晶閘管閥對地的電阻值。由于B相閥位于閥廳中央，距離接地點最近，所以電阻值最小。拆除直流側接地重新試驗，測量電阻如表1所示。

表1 水冷系統各點對地絕緣電阻值

如果水冷回路中存有氣體或者在直流融冰時大電流通過并電解水產生的氣體會在水管內產生氣隙，使部分不銹鋼水管內壁露出水面，此金屬部分與水面存在電位差，嚴重時會沿水管內壁表面放電并燒壞水管[3]。由于吸取了以往高壓直流輸電的經驗，此次所用的水冷系統加裝了氣水分離裝置，可以不斷將水中的氣泡排出。

夏季循環水溫較低而氣溫較高、濕度較大，水冷系統主水管外壁可能會結露而造成絕緣強度降低。以往高壓直流輸電的經驗是進行結露點試驗并加裝裙傘[4]。此次的水冷系統加裝了加熱裝置，在水溫低于設定值時對循環水進行加熱，使其溫度保持恒定，避免了水溫過低而使水管外壁結露的問題。

2.2 電導率測量單元異常原因分析

在調試過程中發現融冰兼動補裝置控制屛上顯示的去離子水電導率高于供水電導率。在水冷系統就地控制屏上發現了同樣問題，所以基本可以排除通信端口接反的原因。去離子水的電導率測量單元采用電極流通式安裝，如圖3所示，去離子水從去離子器出來，經過測量池進入循環水管道。通過在水中注入一定量的空氣并觀察氣泡的走向，發現供水管的出水壓力略大于去離子水的出水壓力，所以通過測量池的水流走向是從供水管流向去離子水管，因而所測量的是從閥體出來的循環水電導率。針對這一問題，提出了更改電導率測量單元進水軟管直徑的整改措施。

圖3 電導率量測單元結構圖

2.3 閥控與水冷系統保護功能的協調控制

水冷系統由PLC自動監控運行，在線監控的信息狀態量為：冷卻水流量、供水壓力、供水溫度、出閥溫度、冷卻水電阻率、去離子水電阻率、主循環泵狀態、冷卻泵狀態和水箱水位狀態等，并通過RS485串口通訊上報融冰兼動補裝置主控制器。任何一項信息狀態量超過定值上限時系統將報警，如超過上上限則保護動作。在現場對46項保護及報警功能進行試驗，所有保護功能均能正確動作使水冷系統停機，并在融冰兼動補裝置控制屏上顯示相應的報警和保護信號。曾發現水冷系統保護停機時融冰兼動補裝置并沒有同時停機，這種情況可能造成的嚴重后果是：在沒有循環水流動的情況下，晶閘管仍保持大電流通過，從而引起閥組過熱而損壞。為此采取了整改措施：水冷系統控制器在滿足保護動作條件時向融冰兼動補裝置主控制器發出信號，主控制器隨后發出水冷系統故障保護信號，停止融冰兼動補裝置，等待1 min后向水冷系統發停機信號。

2.4 風機啟停頻繁問題的處理

分系統試驗完成后需要對整套裝置進行啟動聯調試驗。在啟動試驗中發現1、2號風機啟停頻繁。風機的啟停策略采用t+2．5℃原則，即在出水溫度低于t1時1號風機停；溫度高于t1+2．5℃時1號風機啟動；而2號風機的溫度下限t2為t1+ 2．5℃，以此類推。由于試驗時值冬季，氣溫較低，水冷系統散熱較快，出水溫度一直在1、2號風機的上下限附近徘徊，所以造成啟停頻繁。對此提出t+6℃的啟停策略，并在1號風機的上限和2號風機下限之間留有2℃的余量，這一措施有效地解決了風機啟停頻繁的問題。

3 總結

水冷系統是柔性輸電設備乃至高壓直流輸電系統的重要組成部分。水冷系統的設計、制造、施工安裝、調試和運行等方面都必須引起足夠的重視。在調試過程中曾多次發生由于PVDF水管質量不合格而引起的漏水事故。與以往高壓直流輸電工程相比，此項目的水冷系統采用了一些新技術新手段，如氣水分離器和加熱裝置等。在調試過程中暴露出來的問題也得到了解決，如電導率測量單元異常、風機啟停策略以及設計時沒有考慮水冷系統控制器與閥組控制器的聯動功能等問題，為工程的成功投運奠定了基礎。

[1]申屠剛，程極盛，江道灼，等．500 kV直流融冰兼動態無功補償系統研發與工程試點[J]．電力系統自動化，2009，33（23）：75－80．

[2]趙畹君．高壓直流輸電工程技術[M]．北京：中國電力出版社，2004．

[3]R．J．NEWELL,M．D．RISAN,D．D．RAATZ,et al．Hauth,Staged Field Testing of The Victory Hill Static Var Control[J]．IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems,1980,99（2）∶426－433．

[4]曹勇．嵊泗HVDC換流閥內水冷回路分析[J]．華電電力，2003，4：0241－0243．

（本文編輯：徐 晗）

Field Test and Improvement of Water Cooling System in 500 kV DC Deicer and SVC

LU Yi，HU Wen-tang，CHEN Jin-fa，ZHAO Qi-cheng，JIN Yong-tao，WANG Ke，ZHAO Wen-yuan
（Zhejiang Electric Power Test&Research Institute，Hangzhou 310014，China）

This paper introduces the structure and basic principles of the water cooling system in the 500 kV DC Deicer and SVC,analyzes the main technical problems found during field commissioning and proposes the solutions and modification plan.

DC deicer；thyristor；water cooling system；on-site commissioning；testanalysis

TM714.3

B

1007-1881（2010）10-0006-03

2010-02-24

陸 翌（1979-），男，浙江嘉善人，博士，工程師，主要從事柔性輸電和直流輸電方面的研究。