張成 馬小強(qiáng) 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(jī)械回路和控制保護(hù)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(yùn)行。本文通過(guò)對(duì)目前運(yùn)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(jìn)措施，可以提高運(yùn)行維護(hù)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(dú)立的水冷卻系統(tǒng)。該系統(tǒng)由兩個(gè)冷卻循環(huán)系統(tǒng)組成：

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

二是外冷水循環(huán)系統(tǒng)，通過(guò)冷卻塔對(duì)內(nèi)冷水進(jìn)行冷卻。

內(nèi)冷水系統(tǒng)主要由主循環(huán)泵、補(bǔ)水泵、主通道過(guò)濾器、去離子交換器、脫氧罐、膨脹罐、補(bǔ)水箱、氮?dú)夤?、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(guò)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(shuō)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(guò)主循環(huán)水泵的提升，源源不斷地流經(jīng)三通閥，經(jīng)過(guò)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(jìn)行熱交換，冷卻后的介質(zhì)再進(jìn)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(guò)變頻器控制冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速?gòu)亩刂评鋮s風(fēng)量等，實(shí)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(dòng)三通閥，當(dāng)室外環(huán)境溫度較低和換流閥低負(fù)荷運(yùn)行或零負(fù)荷時(shí)，由電動(dòng)三通閥實(shí)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(duì)冷卻水溫度進(jìn)行強(qiáng)制補(bǔ)償，防止進(jìn)入換流閥的溫度過(guò)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(bǔ)液裝置能自動(dòng)將原水補(bǔ)充到密閉式的系統(tǒng)中，保持冷卻介質(zhì)的充滿(mǎn)。

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?dú)夂銐合到y(tǒng)保持系統(tǒng)管路中冷卻介質(zhì)的充滿(mǎn)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(mǎn)。

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(hù)的核心元件，選用西門(mén)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(gè)CPU配置同步模板通過(guò)光纜連接，實(shí)現(xiàn)CPU硬件冗余。S7-400H采用熱備用模式的主動(dòng)冗余原理，發(fā)生故障時(shí)，無(wú)擾動(dòng)地自動(dòng)切換。無(wú)故障時(shí)兩個(gè)子單元都處于運(yùn)行狀態(tài)，如果發(fā)生故障，正常工作的子單元能獨(dú)立完成整個(gè)過(guò)程的控制。

冗余系統(tǒng)由A和B兩套PLC控制系統(tǒng)組成。開(kāi)始時(shí)，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(gè)組件出錯(cuò)，控制任務(wù)會(huì)自動(dòng)切換到備用系統(tǒng)B當(dāng)中執(zhí)行。這時(shí)，B系統(tǒng)為主，A系統(tǒng)為備用，切換時(shí)間<100ms，切換期間輸出信號(hào)保持，信息或者報(bào)警/中斷不會(huì)丟失。

三、換流閥冷卻系統(tǒng)維護(hù)檢修

1.主循環(huán)泵維護(hù)

1）主循環(huán)泵檢修及維護(hù)可以在線(xiàn)進(jìn)行或者系統(tǒng)停機(jī)時(shí)進(jìn)行;

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

3）每周監(jiān)測(cè)電機(jī)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(yùn)行噪音低于85dB，當(dāng)噪音增大或異常時(shí)，應(yīng)立即手動(dòng)切換至備用泵，并通知廠(chǎng)家到現(xiàn)場(chǎng)排除故障;

5）電機(jī)主軸與泵體主軸的同心度對(duì)水泵的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行影響極大，因此建議更換電機(jī)等維護(hù)由水泵廠(chǎng)家進(jìn)行，并在維護(hù)后用專(zhuān)用測(cè)量工具進(jìn)行檢測(cè);

6）檢查水泵軸承室潤(rùn)滑油的高度，油杯應(yīng)可見(jiàn)到潤(rùn)滑的高度;

7）水泵電機(jī)冷卻風(fēng)扇積塵過(guò)多時(shí)應(yīng)清理干凈，因?yàn)榫奂陲L(fēng)扇上面的塵埃，會(huì)使電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生不平衡及振動(dòng)。

2.補(bǔ)水泵、原水泵維護(hù)

1）補(bǔ)水泵及原水泵允許在線(xiàn)檢修;

2）補(bǔ)水泵、原水泵為立式水泵，機(jī)械密封的冷卻完全依賴(lài)泵體內(nèi)的液體介質(zhì)的浸泡，但機(jī)械密封處于泵體的最高位。因此在第一次運(yùn)行或水泵維護(hù)后投入使用時(shí)必須松開(kāi)泵體上部的排氣閥對(duì)泵體內(nèi)進(jìn)行排氣;

3）補(bǔ)水泵、原水泵運(yùn)行時(shí)的噪音應(yīng)低于72dB，當(dāng)噪音增大或異常時(shí)應(yīng)立即停止運(yùn)行，聯(lián)系廠(chǎng)家到現(xiàn)場(chǎng)排除故障;

4）每2年應(yīng)清洗水泵電機(jī)風(fēng)葉一次。

3.三通閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)維護(hù)

1）每月巡檢中對(duì)三通閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的連桿銷(xiāo)軸進(jìn)行檢查，每3個(gè)月加注適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑劑;

2）每年停機(jī)檢修時(shí)，手動(dòng)進(jìn)行三通閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。

4.電磁閥線(xiàn)圈更換

1）利用小螺絲刀擰開(kāi)電磁閥線(xiàn)圈側(cè)邊接頭上的螺絲，拆下電纜接頭;

2）利用扳手?jǐn)Q開(kāi)電磁閥線(xiàn)圈頂端的螺母及墊片，輕輕向上拔出線(xiàn)圈，露出底座閥桿;

3）將新線(xiàn)圈裝入底座閥桿;

4）將墊片及螺母擰入閥桿螺紋，扳手?jǐn)Q緊;

5）將電纜接頭插入線(xiàn)圈的接線(xiàn)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(guò)濾器

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

2.原水處理回路

原水處理回路上，高瀾公司的設(shè)計(jì)中采用了兩臺(tái)補(bǔ)水泵，自動(dòng)運(yùn)行，互為備用。原水泵出水設(shè)置Y型過(guò)濾器，并在過(guò)濾器前后設(shè)置壓力表 ，壓力信號(hào)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(guò)濾器。

3.動(dòng)力回路

閥冷系統(tǒng)動(dòng)力設(shè)備電源分開(kāi)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(yùn)的故障發(fā)生。如一路電源故障同時(shí)又電源切換裝置故障時(shí)，閥冷系統(tǒng)可以保證有一臺(tái)設(shè)備正常運(yùn)行，提高系統(tǒng)可靠性。在高瀾公司的設(shè)計(jì)中，變頻器的設(shè)計(jì)與ABB存在較大的差異。高瀾公司設(shè)計(jì)有工頻運(yùn)行回路，而ABB均為變頻運(yùn)行，若變頻器出現(xiàn)故障，易導(dǎo)致系統(tǒng)停運(yùn)。

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(yùn)行，變頻器故障直接導(dǎo)致主循環(huán)泵不能運(yùn)行;而高瀾采用變頻器和工頻兩個(gè)回路進(jìn)行控制，啟動(dòng)時(shí)采用變頻器，3秒后切到工頻回路運(yùn)行，變頻器故障不會(huì)引起主循環(huán)泵不能運(yùn)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(gè)原水罐和1臺(tái)原水泵，而補(bǔ)水泵則增加為2臺(tái)。這樣設(shè)計(jì)的好處是在輕微滲水的情況下，原水罐的水可自動(dòng)補(bǔ)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(yùn)。

（3）高瀾換流閥冷卻系統(tǒng)水回路設(shè)計(jì)一般為冗余設(shè)計(jì)，即在一個(gè)元件出現(xiàn)故障時(shí)可以將備用的元件投入運(yùn)行，不需要將冷卻系統(tǒng)停運(yùn)即可更換故障元件，如更換離子交換罐的樹(shù)脂、主水過(guò)濾器等等。

五、結(jié)論

對(duì)ABB換流閥冷卻系統(tǒng)的改進(jìn)建議：

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

2.建議增加1個(gè)原水罐和1臺(tái)原水泵，增加1臺(tái)補(bǔ)水泵。