嚴喜林，國建寶，楊光源，崔鵬飛，張懌寧

(中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司檢修試驗中心，廣東 廣州 510663)

換流閥冷卻(以下簡稱“閥冷”)系統(tǒng)是高壓直流輸電系統(tǒng)最重要的設備之一，對高壓直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行起著非常重要的作用[1]。南方電網各回直流投運以來，多次發(fā)生因閥冷系統(tǒng)保護配置和保護定值不合理導致直流閉鎖事件[2]，如2015年肇慶換流站進行主泵自動切換過程中因逆止閥異常導致閥塔壓差低跳閘事件，暴露出主泵回切時間定值與閥塔壓差保護跳閘定值配合不當的隱患，嚴重影響了電網的安全穩(wěn)定運行。南方電網各換流站閥冷系統(tǒng)的供貨廠家主要有西門子、許繼晶銳、廣州高瀾3家，閥冷保護定值均為由換流閥廠家提供的經驗值，缺乏理論依據和統(tǒng)一的指導規(guī)范[3]。為確保換流閥結溫維持正常水平以及保證換流閥及閥冷系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，有必要開展閥冷系統(tǒng)保護配置及定值整定研究。

國內外針對換流閥冷卻系統(tǒng)保護定值研究的文獻較少，文獻[4]提出當2個內冷水溫度傳感器存在較大誤差時，可能導致內冷水入水溫度高告警信號頻繁誤報警；文獻[5]分析了1起無主泵跳閘事件的原因，并提出了增加主泵切換延時的優(yōu)化措施；文獻[6]分析了1起換流閥水冷流量保護跳閘隱患，并提出低流量跳閘二段保護定值的優(yōu)化措施。上述文獻均只針對閥冷系統(tǒng)保護誤動的原因進行分析，并提出閥冷保護優(yōu)化措施，并未研究閥冷系統(tǒng)保護定值整定方法。

本文結合換流閥冷系統(tǒng)的工作原理，系統(tǒng)提出溫度、流量、壓力、液位、電導率等5類閥冷保護的定值整定方法，可為新建工程閥冷系統(tǒng)設計、現(xiàn)場定值管理、事故事件分析等提供參考，對推動閥冷系統(tǒng)保護定值規(guī)范化管理具有重要的指導意義。

1 換流閥冷卻系統(tǒng)工作原理

換流閥正常運行時，大電流產生高熱量，導致晶閘管溫度急劇上升，為防止晶閘管被燒毀，換流站配置閥冷系統(tǒng)對晶閘管進行冷卻[6]。閥冷系統(tǒng)由內冷系統(tǒng)、外冷系統(tǒng)及控制系統(tǒng)3個部分組成，如圖1所示。

圖1 換流閥冷卻系統(tǒng)Fig.1 Converter valve cooling system

內冷系統(tǒng)為閉式系統(tǒng)，主要由水動力設備、穩(wěn)壓裝置、水處理裝置和補水裝置組成，將換流閥產生的熱量通過循環(huán)水帶到外冷系統(tǒng)，完成對換流閥的冷卻；具有水循環(huán)、內冷水處理、系統(tǒng)壓力穩(wěn)定等功能[7]。

外冷系統(tǒng)主要由噴淋冷卻設備、水質軟化凈化設備、補水設備等組成，具有噴淋冷卻、水質軟化凈化、補水等功能[8]。

控制系統(tǒng)主要由控制單元、監(jiān)視單元、人機顯示單元和遠程交互處理單元等組成，具有內外冷系統(tǒng)設備運行狀態(tài)監(jiān)視與控制，系統(tǒng)流量、壓力、溫度、液位監(jiān)測與精確控制，本地顯示和遠程信息傳送和交互等功能[9]。

2 換流閥冷卻系統(tǒng)保護定值整定方法

為保證換流閥的安全穩(wěn)定運行，換流閥冷卻系統(tǒng)通常配置有溫度、流量、壓力、液位、電導率共5類保護，以下分析各類保護定值的整定方法。

2.1 溫度類保護定值整定方法

溫度類保護主要包括進閥溫度保護和出閥溫度保護2種。進閥溫度為閥冷系統(tǒng)主要運行參數，包含報警/跳閘保護；出閥溫度主要含報警保護，不進行跳閘保護。

2.1.1 進閥溫度保護

進閥溫度為閥冷系統(tǒng)主要運行參數，配置進閥溫度高報警、進閥溫度超高報警、進閥溫度超高跳閘、進閥溫度低報警。

晶閘管換流閥的結溫等于冷卻水的進閥溫度與換流閥損耗產生的溫升之和，冷卻水的進閥溫度高低直流決定晶閘管PN結的溫度[10]。若進閥溫度過高，會使晶閘管結溫超過最高允許結溫，導致晶閘管過熱燒毀，因此閥冷系統(tǒng)通常會配置進閥溫度保護，當進閥溫度超高時閉鎖直流，保護換流閥設備。進閥溫度超高保護定值可根據公式(1)進行計算，并在此在計算值基礎上取整后留有1～2 ℃安全裕度[11]。

(1)

進閥溫度保護延時按以下原則確定：

a)進閥溫度高報警定值比進閥溫度超高報警/跳閘保護定值低2～3 ℃；進閥溫度高報警及跳閘延時應不超過3 s，高報警延時應少于超高跳閘延時，進閥溫度高報警延時建議取2 s，進閥溫度超高跳閘延時建議取3 s。

b)進閥溫度低報警為避免換流閥結凍風險，通常取冰點以上5～10 ℃的安全裕度，因此進閥溫度低報警定值建議取10 ℃，進閥溫度低報警延時應不超過3 s，建議取2 s。

2.1.2 出閥溫度保護

出閥溫度保護配置有出閥溫度高報警、出閥溫度超高報警[12]。換流閥的熱量全部通過內冷水帶出(閥廳空調散熱部分可忽略)，直觀反映為內冷水經換流閥后溫度升高。因整個傳熱過程介質無相變發(fā)生，可根據傳熱公式(2)計算得到出閥溫度，結合進閥溫度高報警和超高報警定值，確定出閥溫度高報警及超高報警保護定值，并在此計算結果基礎上取整后留有1～2 ℃安全裕度。

Tout=Q/MC+Tin.

(2)

式中：Q為換流閥發(fā)熱功率，單位kW；M為額定進閥流量，單位kg/h；C為介質比熱，單位kJ/(kg·℃)；Tin為進閥溫度，單位℃。

出閥溫度保護的動作延時應少于晶閘管換流閥過熱允許時間。出閥溫度高報警及超高報警延時應不超過3 s，高報警延時應少于超高報警延時，出閥溫度高報警延時建議取2 s，出閥溫度超高報警延時建議取3 s。

2.2 流量類保護定值整定方法

流量類參數主要包括冷卻水流量、去離子水流量和噴淋水流量。冷卻水流量為閥冷系統(tǒng)主要運行參數，包含報警/跳閘保護；去離子水流量和噴淋水流量主要含報警保護，不宜進行跳閘保護[13]。

流量保護定值應包括：冷卻水流量低報警定值、冷卻水流量超低報警/跳閘定值、冷卻水流量高報警定值、去離子水流量低報警跳閘定值、噴淋水流量低報警定值、噴淋水流量高報警定值等。

冷卻水流量可根據公式(3)進行計算，并在此在計算值基礎上取整。

(3)

進閥流量低保護定值可結合進出閥溫差范圍根據公式(3)進行計算。通常情況下，進閥流量低報警定值不宜低于額定流量的95%，進閥流量超低報警定值不宜低于額定流量的90%，冷卻水流量低保護延時應超過主循環(huán)泵切換不成功再切回原泵的時間，建議取10 s。

進閥流量高保護定值可結合進出閥溫差范圍根據公式(3)進行計算。通常情況下，進閥流量超高報警定值不宜高于額定流量的105%，冷卻水流量高時對換流閥散熱影響略小，冷卻水流量高報警延時大于流量低報警延時，建議取60 s。

去離子回路設計時，應保證去離子回路具備在2～3 h內將內冷卻水循環(huán)1遍的能力，宜按照主回路流量的2%～5%進行選取。去離子回路流量降低往往可以側面反映去離子回路精密過濾器臟堵情況，流量低報警用于提醒清洗濾芯，為避免誤動，延時建議取30 s。

噴淋水額定流量根據閥冷廠家提供的冷卻塔技術參數來確定，噴淋水流量高報警定值不宜高于噴淋水額定流量的120%，噴淋水流量低報警定值不宜高于噴淋水額定流量的80%。

2.3 壓力類保護定值整定方法

壓力類參數主要包括進閥壓力、出閥壓力、膨脹水箱壓力，均為閥冷系統(tǒng)主要運行參數，均包含報警保護；其中進閥壓力、出閥壓力結合冷卻水流量進行跳閘保護[14]。

壓力保護定值應包括：進閥壓力高報警定值、進閥壓力超高報警定值、進閥壓力低報警定值、進閥壓力超低報警定值、出閥壓力高報警定值、出閥壓力低報警定值、出閥壓力超低報警定值、膨脹水箱壓力高報警定值、膨脹水箱壓力超高報警定值、膨脹水箱壓力低報警定值和膨脹水箱壓力超低報警定值等。

進出閥壓力與循環(huán)泵設備特性、進閥前管路、穩(wěn)壓罐壓力有關(出閥壓力還與閥塔損失有關)，進閥流量應控制在不同的范圍，查詢不同流量下泵的曲線、泵出口至進閥管路壓力損失、閥塔損失，根據公式(4)—(8)可得到允許進閥流量下進出閥壓力的波動范圍，在此基礎上考慮一定余量并取整，即可確定進出閥壓力保護定值。

P2=Pp-ΔP.

(4)

Pp=Ps+P1.

(5)

ΔP=Pf+Pj.

(6)

Pf=i×L.

(7)

Pj=∑ξ×v2/2g.

(8)

式中：P2為進閥/出閥的壓力，單位MPa；ΔP為泵出口至進閥/出閥的管路壓力損失，單位MPa；P1為工況流量下泵的揚程，單位MPa；Pf為泵出口至進閥/出閥的管路沿程水力損失，單位MPa；Pj為泵出口至進閥/出閥的管路局部水力損失，單位MPa；i為單位管路長度的水力損失，單位MPa/m；L為閥冷系統(tǒng)的冷卻水管路長度，單位m；ξ為局部阻力系數；v為液體的平均流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；Pp為泵出口壓力；Ps為膨脹水箱目標壓力值。

閥冷系統(tǒng)壓力建立所需時間在1 s左右，故建議：進閥壓力低報警、進閥壓力超低報警、進閥壓力高報警和進閥壓力超高報警，以及出閥壓力保護低報警、出閥壓力超低報警、出閥壓力高報警延時均取2 s。

結合閥廳最高處管路距主循環(huán)泵入口處高度差形成的壓差作為膨脹水箱壓力控制目標值，可根據公式(9)計算該值，即

Ps=ρg(Z2-Ζ1).

(9)

式中：Ζ1為泵入口距地面高度，單位m；Z2為閥廳管路最高點距地面高度，單位m；ρ為介質密度，單位kg/m3。

在膨脹水箱目標壓力值基礎上上下分別留有0.02～0.05 MPa左右的范圍，用于排氣電磁閥啟/閉和補氣電磁閥啟/閉，以避免排氣和補氣電磁閥頻繁動作；在排氣電磁閥開啟定值基礎上向上留有0.02～0.05 MPa左右確定為膨脹水箱壓力高報警定值和膨脹水箱壓力超高報警定值；在補氣電磁閥開啟定值基礎上向下留有0.02～0.05 MPa左右確定為膨脹水箱壓力低報警定值和膨脹水箱壓力超低報警定值。

為防止補氣和排氣過程中電磁閥關閉對膨脹水箱壓力沖擊性的影響，結合工程經驗，膨脹水箱壓力保護延時建議為10 s。

1.4 液位類保護定值整定方法

液位類參數主要包括高位水箱液位、膨脹水箱液位、補水罐液位。高位水箱液位、膨脹水箱液位為閥冷系統(tǒng)主要運行參數，包含報警/跳閘保護；補水罐液位主要含報警保護[15]。

液位保護定值應包括：高位水箱液位低報警定值、高位水箱液位超低報警定值、高位水箱液位高報警定值、膨脹水箱液位低報警定值、膨脹水箱液位超低報警定值、膨脹水箱液位高報警定值、補水罐液位低報警定值等。

高位水箱與膨脹水箱保護定值設定原則一致，均需保證無論何種穩(wěn)定下不出現(xiàn)高位水箱內滿水或無水的現(xiàn)象。

可根據公式(10)可計算得到因溫度變化引起的膨脹水箱液位變化ΔH。為降低高位水箱液位不足或液位過高對系統(tǒng)造成的影響，并留有足夠的處理時間，從高位水箱50%液位開始，分別向上和向下取值，其范圍作為高位水箱的正常液位變化范圍(大于ΔH)；在此基礎上取5%左右的液位余量，作為高位水箱的液位高報警和液位低報警定值。

(10)

式中：H1為溫度t1時膨脹水箱液位，單位m；H2為溫度為t2時膨脹水箱液位，單位m；m為閉式系統(tǒng)內冷水質量，單位kg；ρ1為溫度t1時介質密度，單位kg/m3；ρ2為溫度t2時介質密度，單位kg/m3；D為膨脹水箱內徑，單位m。

膨脹水箱液位低報警定值宜為膨脹水箱液位的30%，膨脹水箱液位超低報警定值宜為膨脹水箱也液位的10%；膨脹水箱液位高報警定值宜為膨脹水箱也液位的80%。

為防止補水泵啟停對高位水箱液位沖擊性的影響，高位水箱液位保護延時建議取10 s。補水罐液位低報警定值宜為補水罐液位的20%，延時時間建議為5 s。

1.5 電導率類保護定值整定方法

電導率類參數主要包括冷卻水電導率、去離子水電導率、噴淋水電導率。冷卻水電導率為閥冷系統(tǒng)主要運行參數，包含報警/跳閘保護；去離子水電導率和噴淋水電導率主要含報警保護，不宜進行跳閘保護[16]。

電導率保護定值應包括：冷卻水電導率高報警定值、冷卻水電導率超高報警定值、去離子水電導率高報警定值、噴淋水電導率高報警定值等。

控制電導率可以通過控制泄漏電流來實現(xiàn)，泄漏電流宜控制在4 mA以內；泄漏電流可根據公式(11)進行計算，并在此在計算值基礎上取整。

(11)

式中：S為冷卻水管內孔面積，單位mm2；KH2O為內冷水的電導率；U為晶閘管層間或水冷板冷卻水管進/出口電壓差，單位V。

冷卻水電導率高報警定值設定應不大于0.5 μS/cm(25 ℃時)，冷卻水電導率超高報警定值設定應不大于0.7 μS/cm(25 ℃時)，延時建議取30 s。

去離子水電導率高報警定值設定應不大于0.3 μS/cm(25 ℃時)、冷卻水電導率超高報警定值設定應不大于0.5 μS/cm(25 ℃時)，延時建議取30 s。

噴淋水電導率設定應不大于4 000 μS/cm(25 ℃時)，延時建議取300 s。

3 結束語

針對高壓直流換流閥冷卻系統(tǒng)保護定值整定缺乏理論依據、保護定值設置不合理、保護延時配合不當等問題開展研究[17-18]，本文系統(tǒng)地提出了閥冷系統(tǒng)保護定值的整定方法。

通過全面調研了國內主流閥冷廠家的保護配置情況，歸納出溫度、流量、壓力、液位、電導率等5種保護類型，以及高報警、低報警、高跳閘、低跳閘等定值類型；結合閥冷系統(tǒng)保護原理，推導出各類閥冷保護定值的理論計算公式；考慮不同保護配合原則、不同定值類型的配合關系等影響因素，詳細提出了各類保護延時的選取方法。該方法已在滇西北特高壓直流工程新松換流站現(xiàn)場應用，投運一年來運行穩(wěn)定，未發(fā)生閥冷保護定值不合理缺陷，可為新建直流工程閥冷保護定值整定及在運工程保護定值規(guī)范化管理[19-21]提供參考，具有較強的實用性和推廣價值。