换流阀蒸发冷却系统关键部件的设计研究

李银龙 袁浩然 马亚恒

【摘 要】换流阀作为直流输电工程中的核心设备结构，是实现直流输电工程中功率控制的关键所在，而蒸发冷却系统则是换流阀系统的主要功能系统结构。在直流输电工程不断发展的影响下，人们对换流阀蒸发冷却系统的要求也不断上升，对于其系统关键部件的设计改进研究已经成为了推动我国直流输电产业发展的必然举措，是提升换流阀功能实效的关键所在。

【关键词】换流阀;蒸发冷却系统;关键部件;设计

换流阀的核心设备结构元件就是晶闸管，在直流输电工程的换流阀运行中，晶闸管会产生较大的热功率，在换流阀各设备元件性能对温度较为敏感的情况下，就需要对换流阀晶闸管的热量进行有效控制，以保证直流输电工程运行的稳定性和设备安全性，因此就需要蒸发冷却系统对晶闸管进行冷却处理，以保证换流阀晶闸管的稳定运行。

一、换流阀蒸发冷却系统关键部件设计研究的意义

我国现代电力产业发展中，高压直流输电工程的发展速度不断加快，为社会经济发展的电力资源供应提供了重要保障。但是随着高压直流输电工程的发展，其工程运行中存在的一些现实问题也逐渐暴露出来，而因为换流阀晶闸管运行稳定性造成的直流输电影响问题得到了越来越多业界人士的关注。而影响晶闸管运行稳定性的主要因素就是其蒸发冷却系统对晶闸管的冷却性能不佳，造成换流阀内的各元器件受温度影响而出现运行稳定性下降甚至故障损坏的情况[1]。基于此，高压直流输电工程发展中，换流阀蒸发冷却系统的改善研究得到了业界人士的高度关注与重视，尤其对蒸发冷却系统关键部件设计研究，更是成为了提升换流阀晶闸管运行稳定性的关键因素，是保证直流输电产业发展的重要内容。与此同时，通过对换流阀蒸发冷却系统关键部件的设计研究，也能够进一步提升换流阀晶闸管的运行稳定性，进而保证高压直流输电工程的运行安全性，为现代直流输电产业的发展奠定保障基础。

二、换流阀蒸发冷却系统关键部件结构组成

换流阀蒸发冷却系统主要是内外两部分结构共同构成的：内冷系统主要就是以冷却介质作为运转核心，以介质流动的来换流阀晶闸管运行时所产生的热功率，其主要形式是以通过其系统内各个冷却介质的过滤系统，实现换流阀晶闸管运行，以保证换流阀晶闸管运行的稳定性。外冷系统则是换流阀蒸发冷却系统的决定因素，主要有风冷、水冷等形式，现阶段高压直流输电工程换流阀蒸发冷却系统外冷系统多以水冷作业方式为主，其功能作用属性以对内冷系统冷却介质降温处理为核心，以全面提升内冷系统冷却介质的降温速率。外冷水系统的主要结构包含了排水泵、化学药剂容器、喷淋泵、平衡池、过滤装置以及风扇结构等[2]。

三、换流阀蒸发冷却系统关键部件运行稳定性的影响因素及设计研究

换流阀蒸发冷却系统运行过程中，影响其系统运行稳定性的关键部件就是其三通阀结构，直接关系到了蒸发冷却系统管路中冷却介质的正常流通，更是实现系统管路开闭功能的结构基础，是保证系统冷却水进出、冷却介质流量及流速科学性的保障结构，一旦三通阀的运行可靠性和作业精准性出现问题，就会直接造成换流阀蒸发冷却系统的冷却性能下降，给高压直流输电工程的稳定性造成不利影响。换流阀蒸发冷却系统三通阀的常见问题主要包含了三通阀结构问题、运转卡死问题、阀门渗漏问题以及运行不稳定等，在我国高压直流输电工程换流阀故障问题统计中显示，因为三通阀结构内外渗漏问题导致的换流阀运行故障问题占总故障问题比例的31.3%，因此对换流阀蒸发冷却系统三通阀部件的设计研究与改进，能够降低高压输电工程中换流阀故障几率的30%以上，这对于我国高压输电工程产业的发展有着重要意义[3]。

针对于换流阀蒸发冷却系统三通阀故障问题给高压直流输电工程造成的不利影响，某高压直流输电工程企业针对这一现实问题，准备对换流阀蒸发冷却系统的三通阀进行改进设计，以全面提升换流阀晶闸管运行的稳定性，为高压直流输电工程的开展提供安全保障。该高压直流输电工程企业针对三通阀改进设计的现实情况，将TRIZ作为对换流阀蒸发冷却系统三通阀结构改进设计的主要方式。TRIZ是一种发明问题的解决理论，其在换流阀蒸发冷却系统三通阀设计研究中进行应用时，能够通过其理论中的因果分析法、技术矛盾研究法，对三通阀常见的问题进行原因及技术双方面的研究，进而为换流阀蒸发冷却系统三通阀这一关键部件的改进设计提供理论数据指导与支持。

三通阀在换流阀蒸发冷却系统中本身是系统组件的连接结构，更是保证系统管线中冷却介质流通的关键所在，对其进行改进设计时，主要就是全面提升三通阀的使用灵活，保证其内冷系统冷却介质或外冷循环用水不会产生渗漏的情况，并保证且管路开闭控制的稳定性。通过TRIZ理论的因果分析理论，设计人员发现导致换流阀蒸发冷却系统三通阀渗漏的主要原因就是其阀芯的密封情况，阀芯的密封面积较小、密封圈在冷却介质流动压力的影响下出现变形、三通阀使用的精准性与匹配性不足、密封压力较低以及系统运行中的震动问题都会导致其出现渗漏的情况。针对这一原因，设计人员提出了以下几种换流阀蒸发冷却系统关键部件的设计改进方案。

首先，通过锯齿形的三通阀内部阀芯结构，使阀芯与阀体能够在压力状态下出现塑性变形，进而增加阀芯的贴合紧密性和阀芯接触面积。通过锯齿形内部阀芯的设计使用，不仅全面提升了三通阀的密封性，降低了三通阀的渗漏几率，更有助于三通阀安装，以旋进装配的方式，全面降低了换流阀蒸发冷却系统三通阀的安装难度。

其次，在三通阀内部增设柔性垫圈。三通阀渗漏情况出现是与其系统密封性紧密相关的，因此在三通阀的改进设计中，就需要对其阀体与管路连接位置的密封性进行加强。针对于此，设計人员提出了增加柔性垫圈的改进设计方案，通过柔性垫圈在三通阀与管路连接位置的使用，就能够全面提升三通阀的密封效果，进而降低三通阀渗漏的概率。但这种改进设计方式会增加换流阀蒸发冷却系统的组件结构，使其安装难度以及系统本身的复杂性有所提升。

最后，创新三通阀阀芯材料。在三通阀密封性和可靠性的改进设计中，设计人员结合换流阀蒸发冷却系统本身的物理特性，针对其气压和水压提出了阀芯材料创新的设计方案。该设计改进方案就是指通过三通阀密封圈材料性质的创新改变，保证新密封圈材料具有遇水膨胀的物理或化学特性，不仅能够降低其安装难度，在实际使用中，三通阀密封圈也能够在换流阀蒸发冷却系统中水流的影响下而膨胀，全面提升其密封性能，达到提升换流阀蒸发冷却系统三通阀可靠性的提升。

结束语

经过该直流输电工程企业的研究，选择了第一种换流阀蒸发冷却系统三通阀这一关键部件的改进设计研究方案，通过旋进式的装配方法，加上曲面创新原理，对于换流阀蒸发冷却系统的运行稳定性提升有着重要意义，保证了换流阀晶闸管安全稳定运行，对于企业直流输电工程的发展与进步有着重要的推动意义。

参考文献：

[1]罗永金，杨垒，马根坡，等.复合式换流阀冷却系统的设计与试验[J].自动化仪表，2018（7）：11-15.

[2]卢志敏，文玉良，刘重强，等.高压直流输电换流阀冷却系统仿真试验平台设计与实现[J].电工技术，2018，000（014）：24-27.

[3]焦秀英，王晨星，刘学忠，等.高压换流阀内冷却系统散热器杂散电流腐蚀的试验研究[J].高压电器，2018，054（008）：65-71+80.

（作者单位：河南晶锐冷却技术股份有限公司）