天生桥换流站换流阀水冷系统改造技术总结

雷朝煜，杨 健

（中国南方电网超高压公司天生桥局,贵州 兴义 562400）

1 概述

换流阀水冷系统（以下简称阀冷系统）是高压直流输电工程换流阀冷却的必要辅助系统，早期的阀冷系统多采用西门子和ABB成套设备，冗余度较低且设备老化加剧，随着国内制造技术的不断成熟，初期建设的高压直流输电工程逐步进入国产化改造阶段。

±500kV天广直流是南方电网第一个超高压直流西电东送输电工程，天生桥换流站是该通道的整流站，其阀冷系统已运行十余年，并逐渐暴露出诸多问题，严重影响了该西电东送直流通道的安全稳定运行[1]，改造工程势在必行。本文结合天生桥换流站阀冷系统国产化改造工程，对改造中的技术经验进行了总结，对改造后暴露的问题提出了相应技术措施和改进建议，为后续同类改造工程提供参考。

2 技术准备

3 设备安装和调试

3.1 关于传感器及管道改造的工艺流程

高压直流输电通道担负着大功率的西电东送的重任，而传感器及其管道的改造必须要求直流停电，停电改造时间极其宝贵。同时改造中传感器的焊接工作可能带来密闭的水冷系统内部管道污染问题，而传感器焊接后的加压测试、内壁清洗等工艺现场都无法满足要求，这都给改造工作带来了很大的困难。

改造中采取模块化拼接的方式，可顺利解决上述问题。改造前首先对管道部分进行精确测绘，传感器的在管道上的设计位置尽可能的靠近有法兰盘的位置。安装有传感器的管道在厂内按照1:1的比例进行制造，并在两端增加法兰盘，调试、酸洗后进行密封运输。现场安装前使用纯水再次进行清洗去除灰尘，对原有管道进行拆除，吊装带有传感器的新管道并在两端法兰盘处使用密封圈密封并紧固即可。

3.2 关于阀冷冗余电源故障切换与站用电备自投切换逻辑的配合

高压直流换流站对站用电的可靠性要求较高[3]，一般都会配置三路站用电源，并通过10kV和400V母线的备自投切换装置实现电源的可靠供给。阀冷系统通过两台互为备用的主泵实现换流阀水冷系统不间断运转，当运行的主泵的控制系统监测到动力电源消失后，需及时切换电源甚至切换至备用主泵，避免阀冷系统冷却效果不佳，进而引起直流闭锁甚至损坏换流阀。因此，有必要开展站用电系统的备自投与阀冷系统主泵动力电源的切换逻辑延时的配合试验。

建议开展的试验项目：两台主泵均正常、备用主泵检修、备用主泵存在机械故障无法保证额定出力而其动力电源监测装置正常时的10kV和400V备自投切换试验。对本次改造中不满足要求的试验项目，通过调整低电压监视模块告警延时、备自投切换延时、主泵切换延时等参数得以实现。

3.3 关于主泵电机启动电流测试与开关定值校核试验

通过查阅主泵电机启动电流特性曲线[4]，现场测试阀冷主泵在正常启动、主备切换和残压启动工况下电流过冲等方式，校核主泵动力电源开关过流速断、过负荷定值并进行必要调整。

通过现场试验发现，主泵残压启动时（运行主泵正常切换至备用主泵，而备用主泵因机械故障无法运行，再次切换回运行主泵）的启动电流峰值最大，在运行主泵失电190～360ms后再次启动的瞬时电流Im最大，达到额定电流In的15～20倍，主泵动力电源开关过流速断定值应大于主泵残压启动时的瞬时电流最大值，且保留一定的裕度。

3.4 关于主泵动力电源回路欠压监视继电器的选型

主泵动力电源回路欠压监视继电器实时监视着主泵电源状态，并能准确将失电情况反馈至控制系统进而引起主泵的切换，对主泵的正常运行起着至关重要的作用[5]。在国内现有的直流输电工程中，该继电器多采用交流供电或直流独立供电两种类型。

在开展合作学习时，教师要对该学科教学的形式与内容更加重视，所以在开展合作学习时，其效果与质量都会受到内容和形式所带来的影响。对于教师而言，要结合教学目标，对教学内容进行合理选择，进而设定出更加科学的合作目标。以此为前提，需要与学生的实际情况相结合，明确强化学习的内容与形式。对于教师而言，需要学生充分采用多种教学形式，加强规范合作与长短期合作等。而就教学的内容而言，需要确保其灵活性与多样性，才能较好地实现合作学习的目标。

对于交流供电继电器，由于其工作电源和被监视的动力电源回路为同一路电源，若交流系统出现短时的电压波动后恢复正常（低于继电器工作电源电压的70%），可能会造成继电器误发主泵故障信息，当阀冷控制系统检测到两台主泵均故障时将引起直流闭锁。由于阀冷控制保护装置采用的是多路直流电源耦合的方式供电，且站用直流系统电压相对稳定，因此主泵动力电源回路欠压监视继电器易选用直流供电的类型。

4 改造后系统冷却能力的评估

改造后的阀冷系统能否满足直流正常运行的需要，可通过观测内冷水系统冷却介质流量、温度等参数来间接的判断。下面是对改造前的冷却容量评估：

4.1 换流阀发热量的计算

换流阀的发热量是随着直流系统的电压、电流运行工况条件而变化的，且无法直接测量。一般选取直流满负荷运行时阀冷系统的运行工况来间接计算换流阀的发热量。计算公式如下：

式中：Q——换流阀发热量，kW

Cp——冷却介质比热容， J/(kg·℃)

m—冷却介质流量，m3/h

△T—冷却介质进出换流阀温度差，℃

4.2 阀冷系统最大出力核算

在额定的流量、正常环境温度、最大出阀温度、最大发热量和冷却塔运行参数不变的条件下，核算冷却介质流进换流阀（流出冷却塔）温度T2，T2可通过下式计算：

式中：Q——换流阀发热量，kW

K——冷却塔换热盘管总传热系数

T1——管内入口冷却介质温度，℃

T2——管内出口冷却介质温度，℃

T2——管内出口冷却介质温度，℃

A——冷却塔填料侧的横截面积，m2

公式中的盘管总传热系数K、Cp冷却介质比热容 可通过查询其物性参数数据表计算得到。

根据现场测量和计算，天生桥换流站-500kV极1直流系统在环境湿球温度为27.6℃时，冷却塔全部运行和一台冷却塔停止运行（失去1/3冷却容量）的情况下，冷却介质流进换流阀的温度T2分别为44.2℃和47.3℃，均可满足53℃的设计要求。

综上所述，改造后可通过阀冷系统冷却介质流量来间接评估其冷却能力，如冷却介质流量比改造前下降，可适当优化冷却塔填料侧的管道结构、风机变频器的转速参数等，使其达到甚至优于改造前的冷却能力。

5 几点建议

（1）管道部分设计、安装和调试的有关建议。1）传感器及管道安装需排空内冷水管道中的冷却水介质，建议排水前将阀塔进出口的阀门关闭，避免大量空气进入阀塔的毛细管道中，影响改造后的水系统压力、流量甚至影响换流阀的冷却效果；2）由于新安装的管道内含有大量空气，建议改造前考虑管道注水和排水口的设计，易取管道最低点为注水口、最高点设置排水阀门，注水流程由低点往高点进行，尽可能的减少空气的进入；3）在调试过程中主泵需要频繁的启动和切换，可能引起主泵和管路中的止回阀性能下降。建议调试完成后对主泵进行全面维护，对止回阀进行测试或更换。

（2）加强风险控制和管理的建议。由于现场情况的变化，在屏柜二次回路调试期间发生了一起站用直流接地故障，随及时进行了处理；质量管理有待提高，在外冷水电导率传感器支路改造时，部分杂质进入管道内，设备运转后在狭窄部位逐渐积累并堵塞，引起外冷水电导率测量误差。

建议后续改造工程应做好全过程的风险分析与评估，对于风险点应进行全过程的监督和控制，尽量避免改造风险，拒绝松懈与麻痹。

（3）加强现场施工与各方密切配合的建议。要加大现场施工配合力度，对现场出现的问题要及时做出反应，做好工程质量控制，避免带来直流系统重复停电维护的麻烦。

[1]洪乐洲，江一，翁洪志，杜松轩，梁秉岗.换流站阀冷系统设计缺陷与改进措施[J].南方电网技术,2013,7(01):44-46.

[2]崔鹏飞,王海军,国建宝.直流输电工程阀冷系统在线仪表可靠控制策略[J].广东化工,2011,38(224):112-113.

[3]许卫刚,廖文锋,顾舒扬.直流输电工程站用电系统运行分析[J].高电压技术,2016,32(09):157-159.