高壓直流輸電換流閥水冷系統介紹及分析

張成 馬小強 張昕

【摘要】高壓直流輸電系統換流閥水冷系統是直流換流站特有的輔助系統，由于其機械回路和控制保護回路均比較復雜，極易因其故障危及高壓直流輸電系統的安全運行。本文通過對目前運用的兩種換流閥水冷系統的分析比較，找出其回路和原理差異，提出預防手段及改進措施，可以提高運行維護手段，避免設備事故的發生，保障電網的安全可靠性。

【關鍵詞】高壓直流;水冷系統;分析

一、換流閥水冷系統組成

高壓直流輸電系統每極可控硅閥配置一套獨立的水冷卻系統。該系統由兩個冷卻循環系統組成：

一是內冷水循環系統，通過低含氧量的去離子水對閥進行冷卻;

二是外冷水循環系統，通過冷卻塔對內冷水進行冷卻。

內冷水系統主要由主循環泵、補水泵、主通道過濾器、去離子交換器、脫氧罐、膨脹罐、補水箱、氮氣罐、旁通閥等組成。

外冷水系統主要由噴淋泵、排水泵、外冷水循環過濾器、冷卻塔及其風扇、化學藥劑容器、平衡水池等組成。

二、換流閥水冷系統工作流程說明

1.主循環冷卻回路

恒定壓力和流速的冷卻介質，經過主循環水泵的提升，源源不斷地流經三通閥，經過室外換熱設備（主要為空氣冷卻器和密閉式冷卻塔），將被冷卻器件發出的熱量在室外與空氣或水進行熱交換，冷卻后的介質再進入晶閘管閥散熱器，帶出熱量，回流到住循環泵入口，形成密閉式循環冷卻系統。

由外冷溫控系統通過變頻器控制冷卻風扇的轉速從而控制冷卻風量等，實現精密控制冷卻系統的循環冷卻水溫度的要求。在法冷卻水系統內管路和室外管路之間設置電動三通閥，當室外環境溫度較低和換流閥低負荷運行或零負荷時，由電動三通閥實現冷卻水溫的調節。閥冷卻水系統設定的電加熱器對冷卻水溫度進行強制補償，防止進入換流閥的溫度過低 而導致的凝露現象。

2.水處理回路中

為適應大功率電力電子設備在高電壓提條件下的使用要求，防止在高電壓環境下產生漏電流，冷卻介質必須具備極低的電導率，因此在主循環冷卻回路上并聯了去離子水處理回路，預設一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，與主循環回路冷卻介質在高壓循環泵前合流。與離子交換器連接的補液裝置能自動將原水補充到密閉式的系統中，保持冷卻介質的充滿。

3.緩沖密封回路

因采用的密封方式不一樣，可采用膨脹罐加氮氣恒壓系統保持系統管路中冷卻介質的充滿及隔絕空氣，也可采用高位膨脹水箱的緩沖密封系統保持管路中冷卻介質的充滿。

4.二次回路

控制系統采用PLC，PLC是閥冷系統控制與保護的核心元件，選用西門子S7-400H系列PLC。 CPU及I/O模塊均冗余配置。CPU采用S7-400H系列CPU，兩個CPU配置同步模板通過光纜連接，實現CPU硬件冗余。S7-400H采用熱備用模式的主動冗余原理，發生故障時，無擾動地自動切換。無故障時兩個子單元都處于運行狀態，如果發生故障，正常工作的子單元能獨立完成整個過程的控制。

冗余系統由A和B兩套PLC控制系統組成。開始時，A系統為主，B系統為備用，當主系統A中的任何一個組件出錯，控制任務會自動切換到備用系統B當中執行。這時，B系統為主，A系統為備用，切換時間<100ms，切換期間輸出信號保持，信息或者報警/中斷不會丟失。

三、換流閥冷卻系統維護檢修

1.主循環泵維護

1）主循環泵檢修及維護可以在線進行或者系統停機時進行;

2）主循環泵為臥式結構，電機額定轉速為1450轉/分鐘;

3）每周監測電機電源的三相電流平衡，三相電流相差應小于10%;

4）水泵正常運行噪音低于85dB，當噪音增大或異常時，應立即手動切換至備用泵，并通知廠家到現場排除故障;

5）電機主軸與泵體主軸的同心度對水泵的長期穩定運行影響極大，因此建議更換電機等維護由水泵廠家進行，并在維護后用專用測量工具進行檢測;

6）檢查水泵軸承室潤滑油的高度，油杯應可見到潤滑的高度;

7）水泵電機冷卻風扇積塵過多時應清理干凈，因為聚集在風扇上面的塵埃，會使電機轉子產生不平衡及振動。

2.補水泵、原水泵維護

1）補水泵及原水泵允許在線檢修;

2）補水泵、原水泵為立式水泵，機械密封的冷卻完全依賴泵體內的液體介質的浸泡，但機械密封處于泵體的最高位。因此在第一次運行或水泵維護后投入使用時必須松開泵體上部的排氣閥對泵體內進行排氣;

3）補水泵、原水泵運行時的噪音應低于72dB，當噪音增大或異常時應立即停止運行，聯系廠家到現場排除故障;

4）每2年應清洗水泵電機風葉一次。

3.三通閥執行機構維護

1）每月巡檢中對三通閥執行機構的連桿銷軸進行檢查，每3個月加注適當的潤滑劑;

2）每年停機檢修時，手動進行三通閥執行機構的開關動作。

4.電磁閥線圈更換

1）利用小螺絲刀擰開電磁閥線圈側邊接頭上的螺絲，拆下電纜接頭;

2）利用扳手擰開電磁閥線圈頂端的螺母及墊片，輕輕向上拔出線圈，露出底座閥桿;

3）將新線圈裝入底座閥桿;

4）將墊片及螺母擰入閥桿螺紋，扳手擰緊;

5）將電纜接頭插入線圈的接線柱，小螺絲刀擰緊。

四、高瀾公司水冷系統與ABB水冷系統的分析比較

1.主水過濾器

主水過濾器的位置ABB設計Z1在波紋管W1和逆止閥V81之間，Z2在波紋管W2和逆止閥V82之間。在高瀾公司的設計中，做了相關改進，將主水過濾器設在閥外冷設備出口至閥體進口管路之間，采用1用1備設計，可實現在線拆下清洗，同時在過濾器兩端各增加一個壓力表，當檢測到壓差大于定值時，發出相應的告警，便于系統的維護。

2.原水處理回路

原水處理回路上，高瀾公司的設計中采用了兩臺補水泵，自動運行，互為備用。原水泵出水設置Y型過濾器，并在過濾器前后設置壓力表 ，壓力信號送入系統，當壓差大于預設置，告警提示更換Y型過濾器。

3.動力回路

閥冷系統動力設備電源分開兩路，以有效預防由于電源切換裝置不成功導致主循環泵和外冷設備均停運的故障發生。如一路電源故障同時又電源切換裝置故障時，閥冷系統可以保證有一臺設備正常運行，提高系統可靠性。在高瀾公司的設計中，變頻器的設計與ABB存在較大的差異。高瀾公司設計有工頻運行回路，而ABB均為變頻運行，若變頻器出現故障，易導致系統停運。

4.控制回路

（1）關于主循環泵的控制，ABB采用變頻器回路控制轉速，變頻器始終運行，變頻器故障直接導致主循環泵不能運行;而高瀾采用變頻器和工頻兩個回路進行控制，啟動時采用變頻器，3秒后切到工頻回路運行，變頻器故障不會引起主循環泵不能運行。

（2）高瀾換流閥冷卻系統的內冷系統較ABB換流閥冷卻系統增加了1個原水罐和1臺原水泵，而補水泵則增加為2臺。這樣設計的好處是在輕微滲水的情況下，原水罐的水可自動補充到膨脹罐中，從而避免膨脹罐水位降低引起直流系統停運。

（3）高瀾換流閥冷卻系統水回路設計一般為冗余設計，即在一個元件出現故障時可以將備用的元件投入運行，不需要將冷卻系統停運即可更換故障元件，如更換離子交換罐的樹脂、主水過濾器等等。

五、結論

對ABB換流閥冷卻系統的改進建議：

1.將主循環泵的電源回路改為變頻器和工頻兩個回路，并修改相關控制功能。

2.建議增加1個原水罐和1臺原水泵，增加1臺補水泵。