特特高压换流站阀水冷系统保护配置分析

特特高压换流站阀水冷系统保护配置分析

张露

（国家电网公司运行分公司锡盟管理处内蒙古自治区锡林郭勒盟026000）

摘要：特高压直流输电系统换流阀水冷系统是直流换流站特有的辅助系统，由于其机械回路和控制保护回路均比较复杂，极易因其故障危及特高压直流输电系统的安全运行。本文通过对目前运用的两种换流阀水冷系统的分析比较，找出其回路和原理差异，提出预防手段及改进措施，可以提高运行维护手段，避免设备事故的发生，保障电网的安全可靠性。

关键词：特高压直流；水冷系统；分析

一、换流阀水冷系统组成

特高压直流输电系统每极可控硅阀配置一套独立的水冷却系统。该系统由两个冷却循环系统组成：

一是内冷水循环系统，通过低含氧量的去离子水对阀进行冷却；

二是外冷水循环系统，通过冷却塔对内冷水进行冷却。

内冷水系统主要由主循环泵、补水泵、主通道过滤器、去离子交换器、脱氧罐、膨胀罐、补水箱、氮气罐、旁通阀等组成。

外冷水系统主要由喷淋泵、排水泵、外冷水循环过滤器、冷却塔及其风扇、化学药剂容器、平衡水池等组成。

二、换流阀水冷系统工作流程说明

1.主循环冷却回路

恒定压力和流速的冷却介质，经过主循环水泵的提升，源源不断地流经三通阀，经过室外换热设备（主要为空气冷却器和密闭式冷却塔），将被冷却器件发出的热量在室外与空气或水进行热交换，冷却后的介质再进入晶闸管阀散热器，带出热量，回流到住循环泵入口，形成密闭式循环冷却系统。

由外冷温控系统通过变频器控制冷却风扇的转速从而控制冷却风量等，实现精密控制冷却系统的循环冷却水温度的要求。在法冷却水系统内管路和室外管路之间设置电动三通阀，当室外环境温度较低和换流阀低负荷运行或零负荷时，由电动三通阀实现冷却水温的调节。阀冷却水系统设定的电加热器对冷却水温度进行强制补偿，防止进入换流阀的温度过低而导致的凝露现象。

2.水处理回路中

为适应大功率电力电子设备在高电压提条件下的使用要求，防止在高电压环境下产生漏电流，冷却介质必须具备极低的电导率，因此在主循环冷却回路上并联了去离子水处理回路，预设一定流量的部分冷却介质流经离子交换器，不断净化管路中可能析出的离子，与主循环回路冷却介质在特高压循环泵前合流。与离子交换器连接的补液装置能自动将原水补充到密闭式的系统中，保持冷却介质的充满。

3.缓冲密封回路

因采用的密封方式不一样，可采用膨胀罐加氮气恒压系统保持系统管路中冷却介质的充满及隔绝空气，也可采用高位膨胀水箱的缓冲密封系统保持管路中冷却介质的充满。

4.二次回路

控制系统采用PLC，PLC是阀冷系统控制与保护的核心元件，选用西门子S7-400H系列PLC。CPU及I/O模块均冗余配置。CPU采用S7-400H系列CPU，两个CPU配置同步模板通过光缆连接，实现CPU硬件冗余。S7-400H采用热备用模式的主动冗余原理，发生故障时，无扰动地自动切换。无故障时两个子单元都处于运行状态，如果发生故障，正常工作的子单元能独立完成整个过程的控制。

冗余系统由A和B两套PLC控制系统组成。开始时，A系统为主，B系统为备用，当主系统A中的任何一个组件出错，控制任务会自动切换到备用系统B当中执行。这时，B系统为主，A系统为备用，切换时间<100ms，切换期间输出信号保持，信息或者报警/中断不会丢失。

三、换流阀冷却系统维护检修

1.主循环泵维护

1）主循环泵检修及维护可以在线进行或者系统停机时进行；

2）主循环泵为卧式结构，电机额定转速为1450转/分钟；

3）每周监测电机电源的三相电流平衡，三相电流相差应小于10%；

4）水泵正常运行噪音低于85dB，当噪音增大或异常时，应立即手动切换至备用泵，并通知厂家到现场排除故障；

5）电机主轴与泵体主轴的同心度对水泵的长期稳定运行影响极大，因此建议更换电机等维护由水泵厂家进行，并在维护后用专用测量工具进行检测；

6）检查水泵轴承室润滑油的高度，油杯应可见到润滑的高度；

7）水泵电机冷却风扇积尘过多时应清理干净，因为聚集在风扇上面的尘埃，会使电机转子产生不平衡及振动。

2.补水泵、原水泵维护

1）补水泵及原水泵允许在线检修；

2）补水泵、原水泵为立式水泵，机械密封的冷却完全依赖泵体内的液体介质的浸泡，但机械密封处于泵体的最高位。因此在第一次运行或水泵维护后投入使用时必须松开泵体上部的排气阀对泵体内进行排气；

3）补水泵、原水泵运行时的噪音应低于72dB，当噪音增大或异常时应立即停止运行，联系厂家到现场排除故障；

4）每2年应清洗水泵电机风叶一次。

3.三通阀执行机构维护

1）每月巡检中对三通阀执行机构的连杆销轴进行检查，每3个月加注适当的润滑剂；

2）每年停机检修时，手动进行三通阀执行机构的开关动作。

4.电磁阀线圈更换

1）利用小螺丝刀拧开电磁阀线圈侧边接头上的螺丝，拆下电缆接头；

2）利用扳手拧开电磁阀线圈顶端的螺母及垫片，轻轻向上拔出线圈，露出底座阀杆；

3）将新线圈装入底座阀杆；

4）将垫片及螺母拧入阀杆螺纹，扳手拧紧；

5）将电缆接头插入线圈的接线柱，小螺丝刀拧紧。

四、高澜公司水冷系统与ABB水冷系统的分析比较

1.主水过滤器

主水过滤器的位置ABB设计Z1在波纹管W1和逆止阀V81之间，Z2在波纹管W2和逆止阀V82之间。在高澜公司的设计中，做了相关改进，将主水过滤器设在阀外冷设备出口至阀体进口管路之间，采用1用1备设计，可实现在线拆下清洗，同时在过滤器两端各增加一个压力表，当检测到压差大于定值时，发出相应的告警，便于系统的维护。

2.原水处理回路

原水处理回路上，高澜公司的设计中采用了两台补水泵，自动运行，互为备用。原水泵出水设置Y型过滤器，并在过滤器前后设置压力表，压力信号送入系统，当压差大于预设置，告警提示更换Y型过滤器。

3.动力回路

阀冷系统动力设备电源分开两路，以有效预防由于电源切换装置不成功导致主循环泵和外冷设备均停运的故障发生。如一路电源故障同时又电源切换装置故障时，阀冷系统可以保证有一台设备正常运行，提高系统可靠性。在高澜公司的设计中，变频器的设计与ABB存在较大的差异。高澜公司设计有工频运行回路，而ABB均为变频运行，若变频器出现故障，易导致系统停运。

4.控制回路

（1）关于主循环泵的控制，ABB采用变频器回路控制转速，变频器始终运行，变频器故障直接导致主循环泵不能运行；而高澜采用变频器和工频两个回路进行控制，启动时采用变频器，3秒后切到工频回路运行，变频器故障不会引起主循环泵不能运行。

（2）高澜换流阀冷却系统的内冷系统较ABB换流阀冷却系统增加了1个原水罐和1台原水泵，而补水泵则增加为2台。这样设计的好处是在轻微渗水的情况下，原水罐的水可自动补充到膨胀罐中，从而避免膨胀罐水位降低引起直流系统停运。

（3）高澜换流阀冷却系统水回路设计一般为冗余设计，即在一个元件出现故障时可以将备用的元件投入运行，不需要将冷却系统停运即可更换故障元件，如更换离子交换罐的树脂、主水过滤器等等。

五、结论

对ABB换流阀冷却系统的改进建议：

1.将主循环泵的电源回路改为变频器和工频两个回路，并修改相关控制功能。

2.建议增加1个原水罐和1台原水泵，增加1台补水泵。

参考文献：

[1]国家电网公司建设运行部.高压直流输电系统电气设备状态维修和试验规程[M].北京：中国电力出版社，2007.

[2]赵畹君.高压直流输电工程技术[M].北京：中国电力出版社，2009.

作者简介：

张露，1990.10，男，汉族，山西吕梁，大学本科，国家电网公司运行分公司锡盟管理处，工作负责人。研究方向：特高压直流输电运维