换流阀内冷水系统充水排气管控方法研究

阮 畅，黄一钊，覃广斌，许高明，丁 赛，肖瑜堃

(中国南方电网有限责任公司超高压输电公司柳州局，广西 柳州 545006)

0 引言

换流阀是高压直流输电系统的核心设备之一，其中，阀冷系统是换流阀的重要辅助系统，它可将换流阀产生的热量通过水循环传递到阀厅外，保证晶闸管不会因温度过高而损毁，具有良好的冷却效果。因此，在换流阀投入运行前，必须保证阀冷系统内冷水的各项运行指标在正常范围内。下面对换流阀内冷水系统充水排气管控方法进行研究，以保证换流阀安全运行。

1 阀冷系统结构

换流站的每个换流阀组均配置一套独立的换流阀冷却系统，如图1所示。每套换流阀冷却系统由内冷水处理设备、内冷主循环设备、阀外冷系统及阀厅管道四部分组成。其主要设备包括主循环泵、喷淋泵、膨胀管、精密过滤器、离子交换器、原水罐、室外蒸发式冷却塔、以及晶闸管散热器等重要设备[1]。

图1 换流阀冷却系统流程

换流阀冷却系统的内冷水采用蒸馏水。内冷水在主循环泵的作用下进入阀厅管道，继而进入晶闸管散热器与IGBT发生热交换，经加热后的内冷水进入室外蒸发式冷却塔内的盘管进行冷却，降温后的内冷水再送至换流阀，如此周而复始地循环。另外，内冷水还会经过由膨胀罐、离子交换器等组成的内冷水处理设备，对内冷主循环回路中的部分介质进行纯化和脱气。

2 内冷水系统气体产生原因及危害

2.1 射流泵吸气现象

由于内冷水流经各段管径存在差异，且流速较大，若出现密封元件腐蚀损坏或者不严密时，在两段不同管径的交接处可能发生射流泵吸气现象[2]，导致环境空气被吸入管内，使内冷水中出现大量气泡。吸入的气体在主循环泵的作用下循环流动至晶闸管散热器。在高温、高压的环境中，气泡集中破裂，将会产生非常高的温度和压力，导致元器件因气蚀而损坏，同时主循环泵也会产生较大的噪声和振动。

2.2 溶解气体析出

在进行主过滤器滤芯更换、检查水电极等工作时，检修人员势必排出大量的内冷水。待工作完成后，如果原水罐液位低于原水罐总容量的25 %，则需要对原水罐进行补水。此时，所加入的蒸馏水并未经过专业处理，不可避免地会有微量空气溶解于其中。根据亨利定律，在一定温度下，气体在溶液中的溶解度与液面上该气体的平衡压力成正比。因此，当某处压力低于空气的平衡压力时，溶解于内冷水的空气会迅速析出，产生大量的气泡[2]。当处于用电负荷高峰期时，换流阀所产生的高温将使内冷水发生汽化，产生大量的水蒸气，导致元器件因气蚀而损坏。

2.3 游离性气体聚集

当进行蝶阀开合、主循环泵启停、水电极检查等工作时，将会使得内冷系统冷却水产生较大波动，导致内冷水中出现游离的气泡。游离的气泡随着内冷水循环流动，吸附在各个管道连接处或阀塔“S”型弯管处，当内冷系统出现振动时，各部位的气泡将会聚集于管路较高处。当聚集的气体含量较多时，大量气体可能会进入散热器或者主循环泵，导致设备出现异常或损坏。

3 充水排气管控措施

在进行充水排气前，现场人员必须详细逐一检查各功率模块散热器进、出水管连接处，各管道法兰连接处、水电极安装处等地方牢固可靠，并且实时监视各主水管道压力、膨胀水箱水位、内冷水电导率等重要参数变化情况，以此为依据开展注水工作。结合现场经验，建议还采取以下几点充水排气关键管控措施。

1) 合理控制水流速度。在进行阀冷系统管道更换后，进行管道内部气体的排气工作时，首先应打开该段管道最高点处排气阀，然后缓慢打开进水端蝶阀约15°，逐渐排出空气，直至排气阀只有冷却液溢出时，关闭排气阀。最后，观察内冷系统各参数无异常，恢复进、出水蝶阀。

2) 采用间歇式充水方法。根据文献[3]可知，在水平管道中，气泡颗粒数密度和粒径相对大的气泡所占百分比会随时间增加而不断减小。根据研究表明，气泡颗粒数密度会在20～25 s时达到稳定值，气泡的粒径分布变化会在7 s时达到稳定。因此，为了保证充入的冷却水中气泡颗粒数密度及气泡粒径达到最低值，在进行充水时，每隔30 s充水一次。

3) 改进排气阀门与主水管的连接结构。结合现场经验，管道的排气阀门采用细长的管子焊接于主水管上，管道内的气体无法迅速排出。为了便于管道内气体的汇集，可将排气阀与主水管连接处改进为喇叭形状，从而提高排气阀收集气体的能力。

4) 对未开展检修维护工作的阀厅管道进行隔离。在进行水电极检查、功率模块更换等工作时，势必排出阀塔中大量的内冷水。为了保证在进行充水排气时，该阀塔中的气泡不窜入相邻阀塔，可关闭该阀厅所有阀塔进、出水蝶阀(主循环设备停机)，然后打开正进行检修维护工作的阀塔进、出水蝶阀，同时手动启动补水泵对阀塔进行补水，此时需时刻关注膨胀罐液位变化情况。待阀塔水位至最高点后，打开所有阀塔进、出水蝶阀，通过主循环泵电动的方法进行排气即可。该方法可有效防止水流对阀塔水管的冲击及气泡窜入相邻阀塔。

4 结论

换流阀内冷水充水排气工作是换流阀检修维护过程中最重要的环节之一，对整个换流阀的安全运行有着不容忽视的影响。以上结合实际运行维护经验提出一些管控措施，供阀冷系统的分析检测参考。