换流阀内冷却系统换热特性的研究进展.pdf

传源卤环境节能低碳ISSN1672-9064CN35-1272/TK换流阀内冷却系统换热特性的研究进展陈昊阳1杜巍1周晨阳2 李早阳文（1国网宁夏电力有限公司超高压公司2西安交通大学能源与动力工程学院刘立军2 崔鹏1宁夏银川750004陕西西安7710049)摘要冷却系统作为高压直流输电换流站内换流阀系统的重要组成部分，其换热能力与可靠性直接影响换流阀的安全稳定运行。总结换流站内冷却系统的运行特点，从影响内冷系统换热性能的主要因素包括冷却介质、冷却水管道结构、阀模块及饱和电抗器冷却结构、阀厅气流组织以及换流阀温度监测方面综述分析国内外研究现状和进展，对换流阀内冷却系统的发展和趋势进行了展望。提出未来需要进一步研究的内容和方向：开发适用于换流阀的新型冷却技术，实现更高负荷下冷却系统的安全稳定运行；掌握多因素影响下的冷却系统换热能力变化规律；注重严酷条件下的传感器开发以满足换流阀温度监测需求。关键词换流阀内冷却系统冷却介质换热结构数值计算中图分类号：TM506文献标识码：A文章编号：16 7 2-90 6 4(2 0 2 3)0 4-0 7 2-0 5换流阀0引言直流输电工程可实现大容量交直流电能的相互转换，具有可输送功率大、社会效益高和经济效益显著等优点。跨区直流输电系统作为国家电网主网架的重要组成部分，是在更大范围内实施电力资源优化配置的重要战略通道1。作为直流输电工程的核心设备，换流阀承载着直流输电中交直流转换的重要作用,往往被喻为直流输电系统的心脏2 。换流阀的作用是将交流电变换成直流电（整流），或将直流电变换成交流电（逆变），其安全可靠性是保证直流输电系统能够长时间稳定运行的关键。换流阀的运行方式包括额定运行、过负荷运行、大角度运行、短电路运行和交流系统故障运行，而不同的运行方式下换流阀产热量各不相同。为保障换流站内换流阀等通过大电流电力主设备的正常运行，需配置1套高效、稳定的辅助冷却系统，以保证设备内部生成热量的及时散出。冷却系统作为高压直流输电换流站内换流阀系统的重要组成部分，其换热性能直接影响换流设备的安全稳定运行。目前，国内外学者针对换流阀内冷却系统，结合冷却介质选取、阀塔冷却水管布置、换热器结构等影响内冷却系统换热能力的重要因素展开了深人的研究,取得了大量相关研究成果。本文总结了换流站内冷却系统的运行特点，从影响内冷系统换热性能的主要因素包括冷却介质、冷却水管道结构、阀模块及饱和电抗器冷却结构、阀厅气流组织以及换流阀温度监测方面综述分析国内外研究现状和进展，指出换流阀内冷却系统研究中的不足和需要进一步研究的问题，为相关人员开展换流设备内冷却系统研究提供有益参考。1换流阀冷却系统运行原理换流阀冷却系统主要由内冷系统和外冷系统组成。内冷收稿日期：2 0 2 3-0 1-0 9基金项目：国网宁夏电力有限公司科技项目（52 2 9CC20006F)作者简介：陈昊阳(1993一），男，本科，学士，工程师，主要从事直流输运维检修工作。通讯作者：李早阳(198 4一），男，博士，副教授，博士生导师，主要从事换流站冷却系统的相关研究。系统主要装置有换热器、循环泵、过滤器、离子交换器、补水装置等，其中内冷介质通过换热器与发热部件进行热交换，在主循环泵的作用下将发热部件的热量带走；外冷系统是对冷却介质进行冷却，包括外部散热器、喷淋装置，以及多种控制、监测装置等。根据换流站冷却系统设计技术规程3可知，阀内冷却系统应采用水冷却方式，并保证换流阀的有效散热，而外冷却方式则根据当地水资源分布情况确定。以采用冷却塔的换流阀冷却系统为例，说明内冷系统的运行原理，如图1所示。换流阀内冷水系统主要为换流阀提供去离子水以吸收其运行过程中散发的热量，维持换流阀正常工作。从换流阀流出的热水流入冷却塔进行冷却，冷却后的水经过循环水泵的作用再次进入换流阀进行循环冷却。其中，内水冷系统对水质要求较高，要求必须为纯水，电导率0.5s/cm,水中含氧量必须 2 0 0 nL/L。为保证冷却水的电导率满足要求，在主循环回路上并联了离子水交换器，部分冷却水会流经该回路以降低其电导率。在采用水冷却系统时,需特别注意：水冷系统存在着冷却水绝缘性较差、换热效率低、系统复杂、运维难度较高等难点。主循环泵旁通回路离子水交换器补水泵冷却塔内冷水系统图1采用闭式冷却塔的换流阀冷却系统原理图2023.NO.4.72节能低碳传源卤环境1SSN1672-9064CN35-1272/TK随着特高压直流输电对容量要求进一步增大，换流阀的位置对各支路流量分配的影响，结果表明当进出水管布置在尺寸和容量会进一步增大。为了满足电力电子器件散热的需同侧时，各支路水流量不均匀度高达10.4%；布置在异侧时不求，必须增大内冷却系统的规模，复杂度会随之增大。这对水均匀度为3%4%。阀塔各支路冷却介质流量分配偏差会导致循环系统的稳定性提出了更高的要求，更高的流速、更大的管不同位置的换流阀通过冷却介质散去的热量不同，研究表明路运行压强提高了泄露、破损的可能性。换流阀设备对绝缘要在每层冷却管道末端增加节流管可有效降低各支路流量分配求高，泄露事故会导致系统闭锁。此外，水冷却系统配备大量不均，从而达到设计要求。水处理、稳压等系统，也会降低换流阀系统运行的稳定性。2019年南方各直流工程共发生单级闭锁事故10 起，其中因换流阀内冷却系统故障而导致的单级闭锁事故共2 起(4。综上所述，换流阀冷却技术已成为影响高压直流输电的短板，因此深入研究内冷却系统稳定运行的影响因素至关重要。针对影响换流阀内冷系统稳定运行的关键因素，国内外学者从内冷系统换热性能的主要影响因素包括冷却介质、冷却水管道结构、阀模块及饱和电抗器冷却结构、阀厅气流组织及换流阀温度监测等开展了深入研究并取得了大量相关研究成果，为换流阀内冷系统的可靠运行提供理论支撑。2内冷却系统换热特性相关研究2.1换热器冷却介质研究早期换流阀系统采用强制风冷却方式，198 3年日立公司与电力发展有限公司联合开发了水冷晶闸管阀5。2 0 0 3年开始，使用去离子水作为换流阀冷却介质成为高压直流输电的基本操作之一6 。为避免冷却水中的杂质离子在高电压下产生电腐蚀和漏电，需严格控制水的杂质含量、氧气含量和电导率等，姜靖雯等7 提出了换流阀冷却系统内冷水处理的设计要求。此外，为避免寒冷地区冬季换流阀外冷却系统停运时管道内冷却介质冻结现象，需加入防冻剂以降低凝固点18-9。工程上普遍采用冰点低、流动性良好、比热容较高的低电导率乙二醇防冻液(Ethylene glycol,EG),以满足阀冷系统中内冷却水严格的水质要求10 。目前有研究认为乙二醇溶液会加快铝合金的腐蚀1-12 ,黄赵鑫等13 据此提出可采用毒性更低、对阀冷系统设备腐蚀性更低的丙二醇溶液替代乙二醇作为阀冷系统的防冻液。为提高阀冷系统的冷却容量和换热能力，周建辉等14-15 提出采用相变乳状液(Phase change dispersion,PCD)作为换流阀冷却系统介质，并研究了不同配方和制造工艺等因素对PCD性能的影响，得到了适用于高电压环境下换流阀冷却系统用的最优PCD配方，并通过实验和数值模拟方法获得了PCD的传热特性，研究结果表明采用PCD可使换流阀冷却系统换热能力提升2 倍左右，可解决过负荷和温度分布不均的问题，减小冷却设备尺寸。2.2冷却水管道结构设计在水路管道的设计方面，如图2 所示，高压直流换流阀大多采用吊装式阀结构以抵御地震带来的危害6 。受管道阻力的影响，位于不同高度处的吊装式阀结构（又称阀塔）的冷却介质流量有所不同。樊阳文等16 通过数值模拟和试验测试研究了某型号换流阀阀塔各支路流量分配情况，发现随进口总流量的增加，各支路冷却介质流量偏差呈下降趋势，在设计流量下偏差可控制在5%以内，满足工程使用基本要求。雒雯霞等17 采用一维流体仿真软件Flowmaster研究阀塔主进出水管布置CEPRI21:04-2616:04:087图2 吊装式阀结构实物图随着特高压直流输电工程容量的不断增加，所需的冷却系统额定流量逐渐增大，这对阀冷系统水路提出了更高的要求。焦秀英等18 以具体工程为背景，在不改变换流阀整体结构的基础上，通过优化阻尼电阻水冷结构和主水管结构大大减小了组件及主水管水阻。优化前后的主水管结构如图3所示，与螺旋状结构相比,采用半圆弧状的主水管水阻大幅降低。张雷等19 对水冷系统管路建立了模型，通过理论分析,改变了电阻水冷结构和散热器冷却水路的串并联方式，减少配水管长度和水管接头数量，有效地降低了内冷系统所需冷却工质流量以及管路阻力损失。(a）螺旋状结构图3吊装式阀结构实物图18 2.3阀模块冷却结构换热特性研究在换流阀模块冷却结构散热能力研究方面,熊辉等2 0 仿真分析了单个散热器的温度分布与流动阻力，研究了功率和流量变化对热阻和流阻的影响，提出了散热器的优化设计方案，结果显示改进后散热器的热阻可下降7%7.5%，为避免流阻过大,建议现有结构的冷却水流量不宜超过10 L/min王金雄2 1 以实际项目为背景建立单个晶闸管冷却模型,研究了冷却水流速和进水温度对晶闸管冷却效果的影响；肖晋等2 2 对换流阀模块单级晶闸管级散热进行了有限元分析，得出水冷散热器单元在冷却系统不同流速下的热阻和流阻、以及水路最优流速，但未研究多级晶闸管串联换流阀模块的温度分布，也未开展相关运行试验验证温度分布的准确性；洪波等2 3 对2023.NO.4.73（b）半圆弧状结构传源南环境节能低碳ISSN1672-9064CN35-1272/TK晶闸管串联的换流阀组件结构进行分析，通过散热仿真证明了迭代法计算晶闸管结温的可靠性，但未得出换流阀模块和冷却水路的温度分布情况。由冷却水管道结构设计可知，位于阀塔不同位置处的冷却水路流量压力有所不同，这使得不同位置处换流阀模块换热性能有所区别。于海波等2 4 建立了悬吊式换流阀塔本体冷却系统模型，仿真研究了不同类型的水路内阻力随流量的变化关系以及水管表面静压分布特点，并且对单个散热器和散热器组在不同流速下的流阻与温度分布情况进行了研究，结合整体模型仿真研究了悬吊式换流阀本体配水情况与壁面压力分布情况。但是，该模型除去热源壁面外，假定其他壁面绝热，并没有考虑散热器与周围空气之间的传热，计算所得温度要高于试验测得值。姚舒等2 5 对换流阀模块建立三维模型，在给定空气对流传热系数的情况下，模拟获得了换流阀组件通过空气的散热量。为进一步提升换流阀模块冷却结构换热能力，研究者们对已有结构做出改进。丁杰等2 6 提出一种阿基米德螺旋流道结构的晶闸管水冷散热器，通过仿真测试验证了该散热器的效果，并对流动不合理区域进行改进以降低整体最高温度；黄伟等2 7 采用蒸发冷却介质替换乙二醇溶液，建立了换流阀模块蒸发冷却仿真分析模型，获得了不同功率下晶闸管表面温度分布情况。罗炜等2 8 提出在换流阀中采用微通道相变冷却代替传统水冷系统，研究了不同流量下圆形、方形、三角形和梯形4种截面形状微通道内的流动沸腾特性，定量分析了不同截面微通道的换热与压降特性。为满足换流阀更高功率散热需求，需要在已有研究基础上，深人挖掘强制液体冷却、相变冷却、微冷却等技术在换流阀模块冷却中的应用潜力，研究出一套运行稳定可靠的、传热性能优异的新型冷却技术是很有必要的。2.4饱和电抗器冷却结构换热能力研究饱和电抗器是一种常用的电气设备，可用于直流换流阀中保护晶闸管2 9。传统机柜由于自身几何结构的原因容易形成局部热点，导致设备过热发生故障。LI等30 采用有限元法研究了不同环氧树脂对饱和电抗器的温度场和流场分布的影响；YANG等31-32 采用数值模拟和试验验证的方式研究了饱和电抗器铁心温度随时间的变化规律。这些研究表明目前已有的环氧树脂材料阻碍了饱和电抗器的散热，在不改变冷却水流量的情况下采用热导率更高的环氧树脂材料有利于提高饱和电抗器的散热性能，但研究过程中均未考虑饱和电抗器通过周围空气散失的热量。刘磊等33 考虑了饱和电抗器向环境中散失的热量，并据此设计了一种螺旋式饱和电抗器，如图4所示，该结构使得饱和电抗器在运行时其外壳周围会形成多重散热风道以优化散热效果;LIU等34 建立了饱和电抗器的热阻模型，采用模拟瞬态电磁特性得到的堆芯功率损耗作为热源，模拟研究了饱和电抗器的空间温度分布，并得到了其通过冷却回路的散热、与空气的对流换热以及辐射换热的热量大小。2.5阀厅气流组织研究换流阀发出的热量主要通过2 种方式散失：通过水冷换热器散失掉大部分热量；通过空气散失到阀厅中，再通过空调等空气冷却方式带走阀厅内的热量。为了保证换流阀相关电子设备安全运行，防止电子设备表面温度过高，采用空气冷却对阀厅内阀塔进行辅助散热是有意义的。当阀塔内各层间隙的空气流量分配不均时，一些间隙获得了过量的冷却气流，而另一些间隙则缺乏气流，从而导致部分设备表面温度过高35,这将减少相应电子设备的使用寿命。BERG等35-36 指出阀厅空调排出的冷空气进口几何形状、质量流量、位置及角度均会对换流阀厅温度分布产生影响，其中选择合适的空气进口角度、进气位置与开口大小可大幅降低阀厅内最高温度。在相同的进气流量下，改变进口气流角度和进气位置及大小可使阀塔各层间隙中的最高温度下降13。LOZOWY等37 对比研究了进气通道的尺寸和角度，对2 种不同高度的阀塔各层间隙冷却情况的影响，在合适的送风条件下，阀厅内最高温度可控制在6 0 以下。林真国等38 以新疆某特高压直流输电工程为例，对阀厅内上下同时送风，中部回风的气流组织形式进行预测仿真，研究发现局部高温区域附近存在明显的气流涡旋，并建议在空调风系统设计时合理分配上、下送风口风量，采用数值模拟的手段预测控制涡旋产生的位置。1号Bd.d=fBd=元C图4饱和电抗器剖视图与散热风道示意图33换流阀温度监测相关研究为了监测换流阀元件过热异常，目前部分换流站配置了阀厅红外测温系统，在换流阀元件温度超过系统设置的定值后发出告警，提醒运行维护人员进行检查及处理。但是，实际运行经验发现，换流阀元件运行温度与直流负荷、阀厅环境温度等运行参数相关，而阀厅红外测温系统的高温预警定值是一个固定的值，无法根据运行参数进行动态调整。目前高温预警定值设置为8 0 10 0，不能有效监测直流系统低负荷运行2023.NO.4.742号L.d,B-F-dAA(a）普通结构AA（b）螺旋式结构2号F=CB=dC节能低碳传源卤环境1SSN.1672-9064CN35-1272/TK时的过热异常，因此有一些研究者通过结合大量实际工作站定值，或直接给定对流换热系数，并对流道模型做了比较大的工作数据，采用数据分析的形式预测换流阀温度，从而根据运简化。而简化过多会导致整体结构热应力特性及温度分布的行参数动态更新预警定值。赵翼翔等39 通过对某50 0 kV换流改变，与实际情况有一定误差，在进行换热能力可靠性验证时站2 0 11年换流阀厅温度相关数据进行分析，建立了一种动态需特别考虑这点。其次，实际运行过程中换流阀冷却系统是一数据建模方法并预测了阀厅温度；张朝辉等40 1提出一种ARI-个动态平衡的过程，其运行状态会受到外冷系统运行状态、环MA-SVM混合模型，并对中国南方电网的实际阀冷监测数据境因素、阀厅温度、负荷等多因素影响。因此，建立综合考虑阀进行分析预测；以上思路需要提前获取大量实测数据，使得在厅散热、不同运行状态等多因素换流阀冷却系统运行效能研实际应用过程中受到一定限制。张春雨等41 提出采用测温光究方法是今后研究的一个重要方向。纤监视晶闸管钼层温度，再根据共轭梯度法推算晶闸管结温，(3)稳定、准确的换流阀温度监测方案研究。为保障换流但需在晶闸管内部开槽埋设光纤，破坏了晶闸管完整性，不适阀安全可靠运行，需获得准确的换流阀结温，以判断当前时刻于工程应用。换流设备的运行状态是否安全。而换流阀的严酷环境对传感此外，可通过在换流阀关键位置布置测点以直接监测换器提出了很多限制，如存在传导干扰、电磁辐射、振动、高温流阀温度，然而这一方式存在诸多问题。其中，传感节点通常等，因此开发出一套适合于换流阀严酷环境中的温度测量方采用锂电池供能的方案，但锂电池在阀塔强电磁、高温环境下案是必要的。工作可靠性有待验证，有爆炸风险，且更换困难，无法满足大参考文献量传感节点部署于换流阀内的供能需求，已成为传感节点未1彭吕斌，何剑，谢开贵，等.特高压交流和直流输电系统可靠性与经来应用于换流阀温度监测必须跨越的一道障碍。基于这一问济性比较J.电网技术,2 0 17,41(0 4)：10 98-110 7.题，兰天等提出了采用温差取能42 和电磁取能43 的方式为传2包佑炳。基于温度数据的HVDC阀冷却系统建模与预测研究D.广州：广东工业大学，2 0 12.感器供电，如图5所示。当换流阀晶闸管散热器周围存在15K3中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司。换流站阀冷却的温差时，温差发电模块可提供最大1.52 mW的功率输出。这系统设计技术规程：DL/T55622019S.北京：国家能源局，一思路利用换流阀自身环境提取能量，在一定程度上缓解了2019:1-45.传感器对电池供能的依赖，进而促进传感器在换流阀等高压4张朝辉，王行飞，王晨星，等.高压换流阀内冷却系统水路环形均压环境中的应用。电极应用研究J.南方电网技术，2 0 2 2,16(0 3)：16-2 3.直流均压电阻5KASHIWAZAKI H,ODAI S,KONISHI N.Development of light-trig-gered thyristor valvesJJ.Hitachi Review,1985,34(5):241-246.6盛宝良，BJARMEHO,SAKSVIKO，等.现代高压直流输电技术及直流阀技术J.高压电器，2 0 0 3(0 6)：47-50.7姜靖雯，徐中亚浅谈晶闸管阀冷却水系统水处理J.广东输电与变电技术,2 0 10,12(0 1)：39-40.8许根富，尚立新.高压晶闸管换流阀外水冷系统分析J.中国电力，智能传感2009,42(12):42-44.图5基于电磁取能的传感节点嵌入安装三维示意图439刘晓波，许鸿飞,刘源,酒湖工程阀水冷系统设计优化分析J.湖南电力,2 0 17,37(S1):77-82.4研究展望10李国兴，姜子秋，关艳玲，等.换流站换流阀内冷却水水质要求与随着特高压直流输电容量的增加，换流阀的尺寸和容量控制J.黑龙江电力，2 0 13,35(0 6)：542-545.随之进一步增大，所需的冷却系统换热能力逐渐提高，从而对11HAROOONI A,ESKANDARI H,MADDAHY M H,et al.Corrosion冷却系统稳定可靠运行提出了更多的挑战。如何在有限的空behavior of 6063 aluminum alloy in ethylene glycol-water solution间内不断提高换流阀冷却系统的换热能力并保障其可靠性是JJ.Iranian Journal of Materials Science and Engineering,2015,12:待解决的关键问题。34-44.(1)可靠、高效的新型冷却技术研究。随着换流阀散热需122于志勇，宋小宁，程一杰，等.乙二醇对阀冷系统6 0 6 3铝合金的腐求的增加，换流阀内冷系统所需冷却介质流量随之增加。在结蚀影响J.腐蚀与防护,2 0 2 0,41(0 4):7-12.构尺寸总体受限的情况下，增加流量意味着内冷系统管道流13黄赵鑫，朱志平，周攀，等.换流站阀冷系统中丙二醇防冻液的腐蚀特性研究J.中国腐蚀与防护学报,2 0 2 2,42（0 3）：47 1-47 8.动阻力大幅上升，从而影响到整体结构的稳定性。因此，进一14周建辉,王航,刘杉,等.换流阀冷却用相变乳状液的制备及其性步优化流动管道结构，降低管道流动阻力是需更加深人开展能J.精细化工,2 0 2 2,39(0 1)：8 6-94,10 0.的内容。为适应更大功率发热器件，强制液体冷却、相变冷却、15周建辉，王航,刘杉，等.换流阀相变乳液换热性能及其工程应用微冷却等技术将成为研究热点，且在未来均具有较好的前景。研究J.电网技术,2 0 2 2,46(0 1):395-40 3.因此，研究出一套运行稳定可靠的、传热性能优异的新型冷却16樊阳文，辉强龙，张广泰，等.特高压换流阀冷却系统配水仿真及技术必将是换流阀冷却系统的发展趋势。试验研究J.电力电子技术，2 0 17,51(10)：33-35.(2)系统的、全周期换流阀内冷系统换热能力研究。在已17雒雯霞，孙小平，张艳梅，等.基于Flowmaster的柔性直流换流阀有研究中，研究者们通常将换流阀通过空冷散失的热量视为水路仿真研究J.电力电子技术,2 0 2 1,55(0 5)：8-10.2023.NO.4.75传源南环境节能低碳1SSN1672-9064CN35-1272/TK18焦秀英，刘宁.向家坝一上海特高压直流输电换流阀塔水路的分析J.高压电器,2 0 12,48(0 1)：13-16.19张雷，常忠，王珊丹，等.大容量高压静止无功补偿装置用晶闸管阀水冷管路优化设计J.智能电网,2 0 13,1(0 2):7 6-7 9.20熊辉，邵云，颜骥，等.基于Fluent的6 英寸晶闸管水冷散热器设计及优化J.大功率变流技术,2 0 13(0 4)：2 2-2 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