高压直流换流阀冷却系统保护配置及定值整定

严喜林，国建宝，杨光源，崔鹏飞，张怿宁

(中国南方电网有限责任公司超高压输电公司检修试验中心，广东 广州 510663)

换流阀冷却(以下简称“阀冷”)系统是高压直流输电系统最重要的设备之一，对高压直流系统的安全稳定运行起着非常重要的作用[1]。南方电网各回直流投运以来，多次发生因阀冷系统保护配置和保护定值不合理导致直流闭锁事件[2]，如2015年肇庆换流站进行主泵自动切换过程中因逆止阀异常导致阀塔压差低跳闸事件，暴露出主泵回切时间定值与阀塔压差保护跳闸定值配合不当的隐患，严重影响了电网的安全稳定运行。南方电网各换流站阀冷系统的供货厂家主要有西门子、许继晶锐、广州高澜3家，阀冷保护定值均为由换流阀厂家提供的经验值，缺乏理论依据和统一的指导规范[3]。为确保换流阀结温维持正常水平以及保证换流阀及阀冷系统的安全稳定运行，有必要开展阀冷系统保护配置及定值整定研究。

国内外针对换流阀冷却系统保护定值研究的文献较少，文献[4]提出当2个内冷水温度传感器存在较大误差时，可能导致内冷水入水温度高告警信号频繁误报警；文献[5]分析了1起无主泵跳闸事件的原因，并提出了增加主泵切换延时的优化措施；文献[6]分析了1起换流阀水冷流量保护跳闸隐患，并提出低流量跳闸二段保护定值的优化措施。上述文献均只针对阀冷系统保护误动的原因进行分析，并提出阀冷保护优化措施，并未研究阀冷系统保护定值整定方法。

本文结合换流阀冷系统的工作原理，系统提出温度、流量、压力、液位、电导率等5类阀冷保护的定值整定方法，可为新建工程阀冷系统设计、现场定值管理、事故事件分析等提供参考，对推动阀冷系统保护定值规范化管理具有重要的指导意义。

1 换流阀冷却系统工作原理

换流阀正常运行时，大电流产生高热量，导致晶闸管温度急剧上升，为防止晶闸管被烧毁，换流站配置阀冷系统对晶闸管进行冷却[6]。阀冷系统由内冷系统、外冷系统及控制系统3个部分组成，如图1所示。

图1 换流阀冷却系统Fig.1 Converter valve cooling system

内冷系统为闭式系统，主要由水动力设备、稳压装置、水处理装置和补水装置组成，将换流阀产生的热量通过循环水带到外冷系统，完成对换流阀的冷却；具有水循环、内冷水处理、系统压力稳定等功能[7]。

外冷系统主要由喷淋冷却设备、水质软化净化设备、补水设备等组成，具有喷淋冷却、水质软化净化、补水等功能[8]。

控制系统主要由控制单元、监视单元、人机显示单元和远程交互处理单元等组成，具有内外冷系统设备运行状态监视与控制，系统流量、压力、温度、液位监测与精确控制，本地显示和远程信息传送和交互等功能[9]。

2 换流阀冷却系统保护定值整定方法

为保证换流阀的安全稳定运行，换流阀冷却系统通常配置有温度、流量、压力、液位、电导率共5类保护，以下分析各类保护定值的整定方法。

2.1 温度类保护定值整定方法

温度类保护主要包括进阀温度保护和出阀温度保护2种。进阀温度为阀冷系统主要运行参数，包含报警/跳闸保护；出阀温度主要含报警保护，不进行跳闸保护。

2.1.1 进阀温度保护

进阀温度为阀冷系统主要运行参数，配置进阀温度高报警、进阀温度超高报警、进阀温度超高跳闸、进阀温度低报警。

晶闸管换流阀的结温等于冷却水的进阀温度与换流阀损耗产生的温升之和，冷却水的进阀温度高低直流决定晶闸管PN结的温度[10]。若进阀温度过高，会使晶闸管结温超过最高允许结温，导致晶闸管过热烧毁，因此阀冷系统通常会配置进阀温度保护，当进阀温度超高时闭锁直流，保护换流阀设备。进阀温度超高保护定值可根据公式(1)进行计算，并在此在计算值基础上取整后留有1～2 ℃安全裕度[11]。

(1)

进阀温度保护延时按以下原则确定：

a)进阀温度高报警定值比进阀温度超高报警/跳闸保护定值低2～3 ℃；进阀温度高报警及跳闸延时应不超过3 s，高报警延时应少于超高跳闸延时，进阀温度高报警延时建议取2 s，进阀温度超高跳闸延时建议取3 s。

b)进阀温度低报警为避免换流阀结冻风险，通常取冰点以上5～10 ℃的安全裕度，因此进阀温度低报警定值建议取10 ℃，进阀温度低报警延时应不超过3 s，建议取2 s。

2.1.2 出阀温度保护

出阀温度保护配置有出阀温度高报警、出阀温度超高报警[12]。换流阀的热量全部通过内冷水带出(阀厅空调散热部分可忽略)，直观反映为内冷水经换流阀后温度升高。因整个传热过程介质无相变发生，可根据传热公式(2)计算得到出阀温度，结合进阀温度高报警和超高报警定值，确定出阀温度高报警及超高报警保护定值，并在此计算结果基础上取整后留有1～2 ℃安全裕度。

Tout=Q/MC+Tin.

(2)

式中：Q为换流阀发热功率，单位kW；M为额定进阀流量，单位kg/h；C为介质比热，单位kJ/(kg·℃)；Tin为进阀温度，单位℃。

出阀温度保护的动作延时应少于晶闸管换流阀过热允许时间。出阀温度高报警及超高报警延时应不超过3 s，高报警延时应少于超高报警延时，出阀温度高报警延时建议取2 s，出阀温度超高报警延时建议取3 s。

2.2 流量类保护定值整定方法

流量类参数主要包括冷却水流量、去离子水流量和喷淋水流量。冷却水流量为阀冷系统主要运行参数，包含报警/跳闸保护；去离子水流量和喷淋水流量主要含报警保护，不宜进行跳闸保护[13]。

流量保护定值应包括：冷却水流量低报警定值、冷却水流量超低报警/跳闸定值、冷却水流量高报警定值、去离子水流量低报警跳闸定值、喷淋水流量低报警定值、喷淋水流量高报警定值等。

冷却水流量可根据公式(3)进行计算，并在此在计算值基础上取整。

(3)

进阀流量低保护定值可结合进出阀温差范围根据公式(3)进行计算。通常情况下，进阀流量低报警定值不宜低于额定流量的95%，进阀流量超低报警定值不宜低于额定流量的90%，冷却水流量低保护延时应超过主循环泵切换不成功再切回原泵的时间，建议取10 s。

进阀流量高保护定值可结合进出阀温差范围根据公式(3)进行计算。通常情况下，进阀流量超高报警定值不宜高于额定流量的105%，冷却水流量高时对换流阀散热影响略小，冷却水流量高报警延时大于流量低报警延时，建议取60 s。

去离子回路设计时，应保证去离子回路具备在2～3 h内将内冷却水循环1遍的能力，宜按照主回路流量的2%～5%进行选取。去离子回路流量降低往往可以侧面反映去离子回路精密过滤器脏堵情况，流量低报警用于提醒清洗滤芯，为避免误动，延时建议取30 s。

喷淋水额定流量根据阀冷厂家提供的冷却塔技术参数来确定，喷淋水流量高报警定值不宜高于喷淋水额定流量的120%，喷淋水流量低报警定值不宜高于喷淋水额定流量的80%。

2.3 压力类保护定值整定方法

压力类参数主要包括进阀压力、出阀压力、膨胀水箱压力，均为阀冷系统主要运行参数，均包含报警保护；其中进阀压力、出阀压力结合冷却水流量进行跳闸保护[14]。

压力保护定值应包括：进阀压力高报警定值、进阀压力超高报警定值、进阀压力低报警定值、进阀压力超低报警定值、出阀压力高报警定值、出阀压力低报警定值、出阀压力超低报警定值、膨胀水箱压力高报警定值、膨胀水箱压力超高报警定值、膨胀水箱压力低报警定值和膨胀水箱压力超低报警定值等。

进出阀压力与循环泵设备特性、进阀前管路、稳压罐压力有关(出阀压力还与阀塔损失有关)，进阀流量应控制在不同的范围，查询不同流量下泵的曲线、泵出口至进阀管路压力损失、阀塔损失，根据公式(4)—(8)可得到允许进阀流量下进出阀压力的波动范围，在此基础上考虑一定余量并取整，即可确定进出阀压力保护定值。

P2=Pp-ΔP.

(4)

Pp=Ps+P1.

(5)

ΔP=Pf+Pj.

(6)

Pf=i×L.

(7)

Pj=∑ξ×v2/2g.

(8)

式中：P2为进阀/出阀的压力，单位MPa；ΔP为泵出口至进阀/出阀的管路压力损失，单位MPa；P1为工况流量下泵的扬程，单位MPa；Pf为泵出口至进阀/出阀的管路沿程水力损失，单位MPa；Pj为泵出口至进阀/出阀的管路局部水力损失，单位MPa；i为单位管路长度的水力损失，单位MPa/m；L为阀冷系统的冷却水管路长度，单位m；ξ为局部阻力系数；v为液体的平均流速，m/s；g为重力加速度，m/s2；Pp为泵出口压力；Ps为膨胀水箱目标压力值。

阀冷系统压力建立所需时间在1 s左右，故建议：进阀压力低报警、进阀压力超低报警、进阀压力高报警和进阀压力超高报警，以及出阀压力保护低报警、出阀压力超低报警、出阀压力高报警延时均取2 s。

结合阀厅最高处管路距主循环泵入口处高度差形成的压差作为膨胀水箱压力控制目标值，可根据公式(9)计算该值，即

Ps=ρg(Z2-Ζ1).

(9)

式中：Ζ1为泵入口距地面高度，单位m；Z2为阀厅管路最高点距地面高度，单位m；ρ为介质密度，单位kg/m3。

在膨胀水箱目标压力值基础上上下分别留有0.02～0.05 MPa左右的范围，用于排气电磁阀启/闭和补气电磁阀启/闭，以避免排气和补气电磁阀频繁动作；在排气电磁阀开启定值基础上向上留有0.02～0.05 MPa左右确定为膨胀水箱压力高报警定值和膨胀水箱压力超高报警定值；在补气电磁阀开启定值基础上向下留有0.02～0.05 MPa左右确定为膨胀水箱压力低报警定值和膨胀水箱压力超低报警定值。

为防止补气和排气过程中电磁阀关闭对膨胀水箱压力冲击性的影响，结合工程经验，膨胀水箱压力保护延时建议为10 s。

1.4 液位类保护定值整定方法

液位类参数主要包括高位水箱液位、膨胀水箱液位、补水罐液位。高位水箱液位、膨胀水箱液位为阀冷系统主要运行参数，包含报警/跳闸保护；补水罐液位主要含报警保护[15]。

液位保护定值应包括：高位水箱液位低报警定值、高位水箱液位超低报警定值、高位水箱液位高报警定值、膨胀水箱液位低报警定值、膨胀水箱液位超低报警定值、膨胀水箱液位高报警定值、补水罐液位低报警定值等。

高位水箱与膨胀水箱保护定值设定原则一致，均需保证无论何种稳定下不出现高位水箱内满水或无水的现象。

可根据公式(10)可计算得到因温度变化引起的膨胀水箱液位变化ΔH。为降低高位水箱液位不足或液位过高对系统造成的影响，并留有足够的处理时间，从高位水箱50%液位开始，分别向上和向下取值，其范围作为高位水箱的正常液位变化范围(大于ΔH)；在此基础上取5%左右的液位余量，作为高位水箱的液位高报警和液位低报警定值。

(10)

式中：H1为温度t1时膨胀水箱液位，单位m；H2为温度为t2时膨胀水箱液位，单位m；m为闭式系统内冷水质量，单位kg；ρ1为温度t1时介质密度，单位kg/m3；ρ2为温度t2时介质密度，单位kg/m3；D为膨胀水箱内径，单位m。

膨胀水箱液位低报警定值宜为膨胀水箱液位的30%，膨胀水箱液位超低报警定值宜为膨胀水箱也液位的10%；膨胀水箱液位高报警定值宜为膨胀水箱也液位的80%。

为防止补水泵启停对高位水箱液位冲击性的影响，高位水箱液位保护延时建议取10 s。补水罐液位低报警定值宜为补水罐液位的20%，延时时间建议为5 s。

1.5 电导率类保护定值整定方法

电导率类参数主要包括冷却水电导率、去离子水电导率、喷淋水电导率。冷却水电导率为阀冷系统主要运行参数，包含报警/跳闸保护；去离子水电导率和喷淋水电导率主要含报警保护，不宜进行跳闸保护[16]。

电导率保护定值应包括：冷却水电导率高报警定值、冷却水电导率超高报警定值、去离子水电导率高报警定值、喷淋水电导率高报警定值等。

控制电导率可以通过控制泄漏电流来实现，泄漏电流宜控制在4 mA以内；泄漏电流可根据公式(11)进行计算，并在此在计算值基础上取整。

(11)

式中：S为冷却水管内孔面积，单位mm2；KH2O为内冷水的电导率；U为晶闸管层间或水冷板冷却水管进/出口电压差，单位V。

冷却水电导率高报警定值设定应不大于0.5 μS/cm(25 ℃时)，冷却水电导率超高报警定值设定应不大于0.7 μS/cm(25 ℃时)，延时建议取30 s。

去离子水电导率高报警定值设定应不大于0.3 μS/cm(25 ℃时)、冷却水电导率超高报警定值设定应不大于0.5 μS/cm(25 ℃时)，延时建议取30 s。

喷淋水电导率设定应不大于4 000 μS/cm(25 ℃时)，延时建议取300 s。

3 结束语

针对高压直流换流阀冷却系统保护定值整定缺乏理论依据、保护定值设置不合理、保护延时配合不当等问题开展研究[17-18]，本文系统地提出了阀冷系统保护定值的整定方法。

通过全面调研了国内主流阀冷厂家的保护配置情况，归纳出温度、流量、压力、液位、电导率等5种保护类型，以及高报警、低报警、高跳闸、低跳闸等定值类型；结合阀冷系统保护原理，推导出各类阀冷保护定值的理论计算公式；考虑不同保护配合原则、不同定值类型的配合关系等影响因素，详细提出了各类保护延时的选取方法。该方法已在滇西北特高压直流工程新松换流站现场应用，投运一年来运行稳定，未发生阀冷保护定值不合理缺陷，可为新建直流工程阀冷保护定值整定及在运工程保护定值规范化管理[19-21]提供参考，具有较强的实用性和推广价值。