張成 馬小強 張昕

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

【關(guān)鍵詞】高壓直流;水冷系統(tǒng);分析

一、換流閥水冷系統(tǒng)組成

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

一是內(nèi)冷水循環(huán)系統(tǒng)，通過低含氧量的去離子水對閥進行冷卻;

二是外冷水循環(huán)系統(tǒng)，通過冷卻塔對內(nèi)冷水進行冷卻。

內(nèi)冷水系統(tǒng)主要由主循環(huán)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(tǒng)主要由噴淋泵、排水泵、外冷水循環(huán)過濾器、冷卻塔及其風(fēng)扇、化學(xué)藥劑容器、平衡水池等組成。

二、換流閥水冷系統(tǒng)工作流程說明

1.主循環(huán)冷卻回路

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

由外冷溫控系統(tǒng)通過變頻器控制冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速從而控制冷卻風(fēng)量等，實現(xiàn)精密控制冷卻系統(tǒng)的循環(huán)冷卻水溫度的要求。在法冷卻水系統(tǒng)內(nèi)管路和室外管路之間設(shè)置電動三通閥，當(dāng)室外環(huán)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(xiàn)冷卻水溫的調(diào)節(jié)。閥冷卻水系統(tǒng)設(shè)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(dǎo)致的凝露現(xiàn)象。

2.水處理回路中

為適應(yīng)大功率電力電子設(shè)備在高電壓提條件下的使用要求，防止在高電壓環(huán)境下產(chǎn)生漏電流，冷卻介質(zhì)必須具備極低的電導(dǎo)率，因此在主循環(huán)冷卻回路上并聯(lián)了去離子水處理回路，預(yù)設(shè)一定流量的部分冷卻介質(zhì)流經(jīng)離子 交換器，不斷凈化管路中可能析出的離子，與主循環(huán)回路冷卻介質(zhì)在高壓循環(huán)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(tǒng)中，保持冷卻介質(zhì)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(tǒng)保持系統(tǒng)管路中冷卻介質(zhì)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(tǒng)保持管路中冷卻介質(zhì)的充滿。

4.二次回路

控制系統(tǒng)采用PLC，PLC是閥冷系統(tǒng)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(xiàn)CPU硬件冗余。S7-400H采用熱備用模式的主動冗余原理，發(fā)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(tài)，如果發(fā)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(tǒng)由A和B兩套PLC控制系統(tǒng)組成。開始時，A系統(tǒng)為主，B系統(tǒng)為備用，當(dāng)主系統(tǒng)A中的任何一個組件出錯，控制任務(wù)會自動切換到備用系統(tǒng)B當(dāng)中執(zhí)行。這時，B系統(tǒng)為主，A系統(tǒng)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(tǒng)維護檢修

1.主循環(huán)泵維護

1）主循環(huán)泵檢修及維護可以在線進行或者系統(tǒng)停機時進行;

2）主循環(huán)泵為臥式結(jié)構(gòu)，電機額定轉(zhuǎn)速為1450轉(zhuǎn)/分鐘;

3）每周監(jiān)測電機電源的三相電流平衡，三相電流相差應(yīng)小于10%;

4）水泵正常運行噪音低于85dB，當(dāng)噪音增大或異常時，應(yīng)立即手動切換至備用泵，并通知廠家到現(xiàn)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(wěn)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(yīng)可見到潤滑的高度;

7）水泵電機冷卻風(fēng)扇積塵過多時應(yīng)清理干凈，因為聚集在風(fēng)扇上面的塵埃，會使電機轉(zhuǎn)子產(chǎn)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(nèi)的液體介質(zhì)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(nèi)進行排氣;

3）補水泵、原水泵運行時的噪音應(yīng)低于72dB，當(dāng)噪音增大或異常時應(yīng)立即停止運行，聯(lián)系廠家到現(xiàn)場排除故障;

4）每2年應(yīng)清洗水泵電機風(fēng)葉一次。

3.三通閥執(zhí)行機構(gòu)維護

1）每月巡檢中對三通閥執(zhí)行機構(gòu)的連桿銷軸進行檢查，每3個月加注適當(dāng)?shù)臐櫥瑒?

2）每年停機檢修時，手動進行三通閥執(zhí)行機構(gòu)的開關(guān)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(cè)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(tǒng)與ABB水冷系統(tǒng)的分析比較

1.主水過濾器

主水過濾器的位置ABB設(shè)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(shè)計中，做了相關(guān)改進，將主水過濾器設(shè)在閥外冷設(shè)備出口至閥體進口管路之間，采用1用1備設(shè)計，可實現(xiàn)在線拆下清洗，同時在過濾器兩端各增加一個壓力表，當(dāng)檢測到壓差大于定值時，發(fā)出相應(yīng)的告警，便于系統(tǒng)的維護。

2.原水處理回路

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

3.動力回路

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

4.控制回路

（1）關(guān)于主循環(huán)泵的控制，ABB采用變頻器回路控制轉(zhuǎn)速，變頻器始終運行，變頻器故障直接導(dǎo)致主循環(huán)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(huán)泵不能運行。

（2）高瀾換流閥冷卻系統(tǒng)的內(nèi)冷系統(tǒng)較ABB換流閥冷卻系統(tǒng)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(shè)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(tǒng)停運。

（3）高瀾換流閥冷卻系統(tǒng)水回路設(shè)計一般為冗余設(shè)計，即在一個元件出現(xiàn)故障時可以將備用的元件投入運行，不需要將冷卻系統(tǒng)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(jié)論

對ABB換流閥冷卻系統(tǒng)的改進建議：

1.將主循環(huán)泵的電源回路改為變頻器和工頻兩個回路，并修改相關(guān)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。