摘要：本文针对北方某换流站工程，通过对换流阀几种冷却系统进行分析比较，提出适用于本工程的冷却方式，并对其进行优化设计。
关键词：换流站；阀冷却系统；空冷串水冷；
0 引言
在高压柔性直流输电工程中，换流阀及直流断路器的冷却系统是换流站的重要组成部分，其运行情况直接影响到整个直流系统输电能力。因此，保证外冷却水系统稳定、可靠和高效运行显得尤为重要。本文结合工程实际情况，对换流阀和直流断路器的冷却系统进行探讨研究。
1 某换流站工程概况
某换流站站址位于河北省某镇。该换流站所处站址处常规气象要素统计见表2-1。
表2-1 常规气象要素表
该气象站最近5年最热三个月累积频率为10%的湿球温度为17.0℃，其相应的日平均干球温度为21.1℃，相对湿度为68%，气压为847.6hPa。
极端湿球温度为20.7℃，其相应的日平均干球温度为28.2℃，相对湿度为26%，气压为846.1hPa，平均风速为3.3 m/s。
2 换流阀冷却系统设计原理
2.1 换流阀内冷却系统
换流阀在换流站中承担交-直流转换功能，是换流站的核心设备。换流阀各元件的发热量很大，为了排除阀体的发热量以保证阀的正常运行，换流阀设有内循环冷却系统。在换流阀的冷却介质选择上，采用水冷方式，其散热效率高，可大大提高被冷却器件的容量。
换流阀内冷却系统的闭式冷却水不与室外空气直接接触，水量损失小，补充水量少，但水质要求较高，须对内循环冷却水进行深度处理，深度处理装置包括脱氧器、过滤器、缓冲箱和离子交换器等。
可控硅阀为串联冷却，冷却水管中有微安级的泄漏电流，会对散热器等金属材料产生腐蚀，所以阀内冷却介质一般为去离子水，并采用闭式循环，与大气减少接触，避免各种杂质进入内冷水系统。同时在内冷水回路中并联去离子水处理设备，根据水质在线监测情况随时采取去氧、去离子措施，使水的电导率控制在 0.1us/cm（20℃）以内、含氧量低于 150ppb，以防止管路腐蚀。
内冷水系统包括循环水泵、膨胀罐、除氧器、精密过滤器、分流阀和连接管道等，内冷水系统主要设备布置在阀冷却设备间内。
本换流站换流阀内冷却采用强迫水循环内冷方式，一次循环回路采用闭式循环系统。该系统是专门针对可控硅晶闸管换流阀设计的，其目的是带走可控硅阀由于消耗功率所产生的热量。
2.2 换流阀外冷却系统
阀外冷却方式的选择，除了必须考虑的技术经济因素外，还和工程所在地的水文地质、水文气象条件密切相关。
阀外冷却主要有水冷却、空气冷却方式，目前国内建在水资源丰富地区的换流站，主要为水冷方式，采用密闭蒸发式冷却塔，在水资源缺乏和北方地区多采用空冷方式。
水冷方式由密闭式蒸发型冷却塔、工业水池、工业水泵、水处理设备、喷淋水池、喷淋水泵等组成，采用水冷方式优点是：冷却效率高，运行效果稳定，冷却功耗小，投资少，噪音低。缺点是：耗水量大，由于本工程冬季时间长，冬季极端温度较低，外冷水和内冷水系统都要考虑防冻问题，管道、阀门冬季一旦损坏，后果严重，运行维护工作量大；水冷方式有排污问题和冬季造成附近设备或导线覆冰的隐患。
空冷方式主要设备为空冷器，采用空冷方式的优点：设备简单；运行维护工作量小；只需对内冷水进行防冻处理；空冷设备不耗水，节约了大量水资源，即使设有辅助水冷方式时，也只在短时间内使用，耗水量极少。缺点是：耗电量较大；噪音相对水冷方式大；投资相对较高；受气候等因素影响较大。
3 换流阀外冷系统选择
换流阀外冷却系统按冷却介质不同，一般分为（A）水冷、（B）空冷、（C）空冷串水冷、（D）空冷串冷水机组四种方式。
本换流站地处水资源匮乏且取水困难的北方地区，因此不推荐采用纯水冷作为换流阀的外冷却方式，因此以下仅对纯空冷、空冷串水冷、空冷串冷水机组这三种冷却方式进行方案设计，并进行经济技术比较。
3.1 换流阀基础参数
表3-1 换流阀厂家参数
本工程以室外气温与换流阀额定进水温度温差8℃对空冷器进行选型（考虑3℃热岛效应）。以下选取阀厂家二参数进行本工程换流阀外冷系统方案比较。
3.2 空冷器串闭式冷却塔方案设计
表3-2为外冷系统采用空冷器串闭式冷却塔方案的阀外冷主要设备参数：
图2-2 空冷器串闭式冷却塔布置示意图
3.3 空冷器串冷水机组方案设计
表2-3 阀外冷系统主要设备参数（空冷器串冷水机组方案）
图2-3 空冷器串冷水机组布置示意图
3.4 纯空冷器方案设计
当站址夏季月平均气温较低，进阀水温与室外极端最高气温的温差高于8℃（考虑3℃热岛效应）时，宜采用纯空冷方案。
对该换流站，极端最高气温为36.7℃，其对应阀厂家参数进行比较见表3.4；
表3-4 纯空冷方案基础参数比较表
由上表可见，仅阀厂家四参数可采用纯空冷方案作为换流阀外冷却系统方式，其余阀厂家均不可采用纯空冷方案。因此本换流站不推荐纯空冷方案。
4 技术经济比较
4.1技术比较见表3-5
表2-5 技术比较表
4.2 经济比较见表2-6
表2-6 经济比较表（空冷器部分不列入比较）
由上表可见，空冷器串冷水机组方案较串冷却塔方案每套造价高500万元，全站两套造价高1000万元；若采用冷水机组替代冷却塔，补水量为零，但单套设备同时运行最大用电负荷将约增加440kW。
空冷塔串冷却塔方案较空冷串冷水机组造价低，设备功率小、电耗低，使用经验丰富；空冷塔串冷水机组造价高、电耗高、占地大，换流站无使用经验，仅在冷却容量小于1000kW电子、化工行业有应用。
从技术上说，采用空冷串冷水机组具有可行性，若采用该方案，应从提高进阀内冷水温度和增大进、出阀内冷水的温差两方面进一步开展工作，从而降低冷水机组担负的冷却容量，增加系统可靠性，降低造价和电耗。
因此，本换流站拟推荐空冷器串水冷塔方式作为换流阀外冷却系统方式。
5 结语
本文针对北方换流站内的换流阀外冷系统进行研究，综合本工程所在地区水源、气温以及阀冷厂家的换流阀进水温度情况考虑，通过技术及经济，对纯水冷、纯空冷、空串水、冷水机组等四种方式比较，推荐换流阀外冷系统采用空冷器串闭式冷却塔方案。
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[3]张健，何世洋，孙三祥，等.适合严寒地区直流换流站外冷却系统的研究[J].电力科技与环保，2014，30（4）：53-55.
论文作者:陈琳
论文发表刊物:《基层建设》2018年第32期
论文发表时间:2018/12/18
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