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　　摘要：通過目前云貴地區(qū)的換流站常用的換流閥外冷系統(tǒng)冷卻方式進行了對比分析，分別闡述了空氣冷卻器和閉式冷卻塔的冷卻原理和技術(shù)要求，并根據(jù)高海拔地區(qū)的冷卻方式提出了多種優(yōu)化設(shè)計方案，為高海拔地區(qū)直流輸電換流閥冷卻系統(tǒng)外冷卻方式提出了新的思路。

　　關(guān)鍵詞：換流閥冷卻系統(tǒng);高海拔地區(qū);閉式冷卻塔;空氣冷卻器

　　概述

　　換流閥是高壓直流輸電的核心裝備，其中冷卻設(shè)備是換流閥的核心輔助裝備，其方式都是根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境進行選擇。

　　地處云貴高原的我國云南貴州擁有著大量的能源，也擁有了大型的能量輸送線路-高壓直流輸電。當(dāng)?shù)睾０屋^高，地質(zhì)資源奇特，常有“一山有四季，十里不同天”的說法。對于高海拔地區(qū)而言，一般氣壓低，意味著大氣密度低，同時也意味著水的飽和溫度低，水更容易蒸發(fā)。但是目前的換流站實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，包括換流站的外冷卻方式也是搬其他換流站而來。云貴高原的換流站閥外冷卻主要兩種設(shè)備：水冷(屬于濕式冷卻)和空冷(屬于干式冷卻)兩種方式，干式冷卻主要是采用空氣冷卻器，濕式冷卻主要采用閉式冷卻塔[1]~[2]。

　　相關(guān)知識推薦：電力系統(tǒng)職稱需要哪些成果

　　云貴高原位于青藏高原東南側(cè)雖然處于水汽通道上，但已有研究表明這一地區(qū)的降水明顯少于長江流域和華南地區(qū)，也少于其上游的緬北地區(qū)，還存在顯著的季節(jié)性干旱時段，氣候平均下干季( 11 月至次年4 月) 降水不到年降水的15%，干、濕季分明[2]。由于季節(jié)缺水，使得換流站對水的需求較為苛刻。

　　一些學(xué)者以低氣壓條件下散熱器的傳熱性能為研究重點，主要研究了翅片管空冷器的熱效應(yīng)，應(yīng)用范圍主要在鐵路列車上的換熱器。比如李毅[3]分析并推倒出大氣密度和壓力隨海拔高度的變化規(guī)律，張長興[4]在理論上對低氣壓環(huán)境中自然對流換熱系數(shù)的變化進行了分析出了一些列車的換熱器應(yīng)用方案。

　　目前國內(nèi)還沒有低氣壓條件下閉式冷卻塔的研究，沒有針對高海拔地區(qū)換流站的外冷卻系統(tǒng)有專門的研究。

　　本次研究針對換流閥外冷卻系統(tǒng)的冷卻方式進行對比分析，從工作原理、技術(shù)要求、優(yōu)化改進等方面進行詳細(xì)描述，梳理閥冷卻系統(tǒng)水冷及風(fēng)冷方式設(shè)計考慮的影響因素，尤其重點考慮對直流運行影響關(guān)鍵的因素，以此評估對后續(xù)運行維護工作中所存在的風(fēng)險，以便后續(xù)工程中指導(dǎo)應(yīng)用。

　　換流閥冷卻系統(tǒng)原理

　　換流閥是典型的電力電子設(shè)備，大約95%發(fā)熱來自于晶閘管、阻尼電阻和電抗器。其散熱的主要方式是水冷，冷卻系統(tǒng)流程圖見圖 2 -1。對其進行化簡可以得到Error: Reference source not found的簡單示意圖。

　　換流閥外冷方式對比分析

　　換流閥閉式循環(huán)水冷卻系統(tǒng)按冷卻水冷卻方式劃分有：水-風(fēng)換熱(空氣冷卻器)、水-水換熱(閉式冷卻塔)和混合冷卻幾大類。不同類別的冷卻方式技術(shù)要求也不盡相同，但一些基本的技術(shù)要求是一致的，包括：冷卻系統(tǒng)型號，冷卻系統(tǒng)額定冷卻容量，進閥溫度(設(shè)定值)，進閥溫度高報警設(shè)定值，進閥溫度高跳閘設(shè)定值，進閥最低運行溫度，進閥溫度低報警設(shè)定值，閥廳進出水溫差，冷卻介質(zhì)，電導(dǎo)率值(報警)，正常(去離子回路)電導(dǎo)率值，pH 值，閥體額定流量時壓降，閥冷設(shè)備設(shè)計壓力，閥冷設(shè)備測試壓力，主循環(huán)過濾精度，去離子回路過濾精度，冷卻介質(zhì)總?cè)萘康葏?shù)。

　　空冷器(水-風(fēng)換熱)

　　循環(huán)水在循環(huán)過程中帶出的熱量被循環(huán)系統(tǒng)送入一個密閉的風(fēng)冷換熱器，并最終通過風(fēng)扇送入空氣中。特點是被冷卻的水溫與環(huán)境溫度密切相關(guān)，會隨環(huán)境溫度的變化而調(diào)整，通常循環(huán)水溫會高于環(huán)境溫度10-15℃。由于維護比噴淋塔簡單，水-風(fēng)換熱方式是用來冷卻高壓大功率電力電子器件的最常用的方式[7]。

　　水-風(fēng)換熱方式常用的換熱器為空氣冷卻器，即采用不銹鋼管，鋁翅片組合。如黑河換流站、穆家換流站、伊敏換流站、高嶺換流站、格爾木換流站等采用了空冷器。這類空冷器基本不消耗水，靠增加翅片的換熱面積用風(fēng)將熱量帶走。

　　空氣冷卻器屬于翅片管換熱器，也稱作空氣冷卻換熱器，簡稱空冷器。其布置圖如圖 3 -2所示。它由若干多支翅片管按照一定的排布規(guī)律排列而組成的換熱單元叫做翅片管束[8]。翅片管束由三部分組成：翅片管、管箱和構(gòu)架。直流輸電換流閥用空冷器一般采用不銹鋼無縫鋼管和鋁翅片。

　　額外技術(shù)要求：

　　包括外風(fēng)冷設(shè)備環(huán)境溫度，冷卻容量，空冷器總冷卻容量的裕度，空冷器綜合噪聲，空冷器結(jié)構(gòu)形式，空冷器風(fēng)機電機的絕緣等級，防護等級，空冷器風(fēng)機和軸設(shè)計壽命等。

　　閉式冷卻塔(水-水換熱)

　　在密閉式冷卻塔中，依靠向被冷卻的水管噴灑水滴，由被冷卻水管表面水膜的蒸發(fā)而把熱水傳至管壁的熱量帶走，流動空氣與管壁的接觸也起到了對流換熱作用，從而使管內(nèi)的熱水得到冷卻。這種方法的優(yōu)點是冷卻水溫可以低于空氣溫度，缺點是噴淋塔維護起來較為復(fù)雜，且要消耗大量的水，一般適用于水源較為豐富的地區(qū)，該系統(tǒng)受到環(huán)境的溫度和含濕量影響較大。

　　圖 3 -3是一種典型的帶填料的閉式冷卻塔結(jié)構(gòu)示意圖。閉式冷卻塔(也叫蒸發(fā)式空冷器或密閉式冷卻塔)是將管式換熱器置于塔內(nèi)，通過管外流通的空氣、噴淋水與管內(nèi)的循環(huán)水換熱，實現(xiàn)降溫目的[9]。由于循環(huán)水是閉式循環(huán)，能夠保證水質(zhì)不受污染，很好的保護了主設(shè)備的高效運行，提高了使用壽命。

　　額外技術(shù)要求：

　　包括外水冷設(shè)備使用環(huán)境溫度，冷卻塔總冷卻容量的裕度，冷卻塔風(fēng)機結(jié)構(gòu)形式，冷卻塔綜合噪聲，冷卻塔風(fēng)機電機的絕緣等級，防護等級，冷卻塔風(fēng)機和軸設(shè)計使用壽命，噴淋水水質(zhì)要求等。

　　空氣冷卻器帶噴霧的冷卻方式

　　帶噴霧(淋)的空氣冷卻器的冷卻方式是我國僅有的大型換流閥外冷卻方式。該方案已用于高嶺換流站二期外冷卻設(shè)備中，其技術(shù)原理如圖 4 -4。——論文作者：張䶮