換流閥蒸發冷卻系統關鍵部件的設計研究

李銀龍 袁浩然 馬亞恒

【摘?要】換流閥作為直流輸電工程中的核心設備結構，是實現直流輸電工程中功率控制的關鍵所在，而蒸發冷卻系統則是換流閥系統的主要功能系統結構。在直流輸電工程不斷發展的影響下，人們對換流閥蒸發冷卻系統的要求也不斷上升，對于其系統關鍵部件的設計改進研究已經成為了推動我國直流輸電產業發展的必然舉措，是提升換流閥功能實效的關鍵所在。

【關鍵詞】換流閥;蒸發冷卻系統;關鍵部件;設計

換流閥的核心設備結構元件就是晶閘管，在直流輸電工程的換流閥運行中，晶閘管會產生較大的熱功率，在換流閥各設備元件性能對溫度較為敏感的情況下，就需要對換流閥晶閘管的熱量進行有效控制，以保證直流輸電工程運行的穩定性和設備安全性，因此就需要蒸發冷卻系統對晶閘管進行冷卻處理，以保證換流閥晶閘管的穩定運行。

一、換流閥蒸發冷卻系統關鍵部件設計研究的意義

我國現代電力產業發展中，高壓直流輸電工程的發展速度不斷加快，為社會經濟發展的電力資源供應提供了重要保障。但是隨著高壓直流輸電工程的發展，其工程運行中存在的一些現實問題也逐漸暴露出來，而因為換流閥晶閘管運行穩定性造成的直流輸電影響問題得到了越來越多業界人士的關注。而影響晶閘管運行穩定性的主要因素就是其蒸發冷卻系統對晶閘管的冷卻性能不佳，造成換流閥內的各元器件受溫度影響而出現運行穩定性下降甚至故障損壞的情況[1]?；诖?，高壓直流輸電工程發展中，換流閥蒸發冷卻系統的改善研究得到了業界人士的高度關注與重視，尤其對蒸發冷卻系統關鍵部件設計研究，更是成為了提升換流閥晶閘管運行穩定性的關鍵因素，是保證直流輸電產業發展的重要內容。與此同時，通過對換流閥蒸發冷卻系統關鍵部件的設計研究，也能夠進一步提升換流閥晶閘管的運行穩定性，進而保證高壓直流輸電工程的運行安全性，為現代直流輸電產業的發展奠定保障基礎。

二、換流閥蒸發冷卻系統關鍵部件結構組成

換流閥蒸發冷卻系統主要是內外兩部分結構共同構成的：內冷系統主要就是以冷卻介質作為運轉核心，以介質流動的來換流閥晶閘管運行時所產生的熱功率，其主要形式是以通過其系統內各個冷卻介質的過濾系統，實現換流閥晶閘管運行，以保證換流閥晶閘管運行的穩定性。外冷系統則是換流閥蒸發冷卻系統的決定因素，主要有風冷、水冷等形式，現階段高壓直流輸電工程換流閥蒸發冷卻系統外冷系統多以水冷作業方式為主，其功能作用屬性以對內冷系統冷卻介質降溫處理為核心，以全面提升內冷系統冷卻介質的降溫速率。外冷水系統的主要結構包含了排水泵、化學藥劑容器、噴淋泵、平衡池、過濾裝置以及風扇結構等[2]。

三、換流閥蒸發冷卻系統關鍵部件運行穩定性的影響因素及設計研究

換流閥蒸發冷卻系統運行過程中，影響其系統運行穩定性的關鍵部件就是其三通閥結構，直接關系到了蒸發冷卻系統管路中冷卻介質的正常流通，更是實現系統管路開閉功能的結構基礎，是保證系統冷卻水進出、冷卻介質流量及流速科學性的保障結構，一旦三通閥的運行可靠性和作業精準性出現問題，就會直接造成換流閥蒸發冷卻系統的冷卻性能下降，給高壓直流輸電工程的穩定性造成不利影響。換流閥蒸發冷卻系統三通閥的常見問題主要包含了三通閥結構問題、運轉卡死問題、閥門滲漏問題以及運行不穩定等，在我國高壓直流輸電工程換流閥故障問題統計中顯示，因為三通閥結構內外滲漏問題導致的換流閥運行故障問題占總故障問題比例的31.3%，因此對換流閥蒸發冷卻系統三通閥部件的設計研究與改進，能夠降低高壓輸電工程中換流閥故障幾率的30%以上，這對于我國高壓輸電工程產業的發展有著重要意義[3]。

針對于換流閥蒸發冷卻系統三通閥故障問題給高壓直流輸電工程造成的不利影響，某高壓直流輸電工程企業針對這一現實問題，準備對換流閥蒸發冷卻系統的三通閥進行改進設計，以全面提升換流閥晶閘管運行的穩定性，為高壓直流輸電工程的開展提供安全保障。該高壓直流輸電工程企業針對三通閥改進設計的現實情況，將TRIZ作為對換流閥蒸發冷卻系統三通閥結構改進設計的主要方式。TRIZ是一種發明問題的解決理論，其在換流閥蒸發冷卻系統三通閥設計研究中進行應用時，能夠通過其理論中的因果分析法、技術矛盾研究法，對三通閥常見的問題進行原因及技術雙方面的研究，進而為換流閥蒸發冷卻系統三通閥這一關鍵部件的改進設計提供理論數據指導與支持。

三通閥在換流閥蒸發冷卻系統中本身是系統組件的連接結構，更是保證系統管線中冷卻介質流通的關鍵所在，對其進行改進設計時，主要就是全面提升三通閥的使用靈活，保證其內冷系統冷卻介質或外冷循環用水不會產生滲漏的情況，并保證且管路開閉控制的穩定性。通過TRIZ理論的因果分析理論，設計人員發現導致換流閥蒸發冷卻系統三通閥滲漏的主要原因就是其閥芯的密封情況，閥芯的密封面積較小、密封圈在冷卻介質流動壓力的影響下出現變形、三通閥使用的精準性與匹配性不足、密封壓力較低以及系統運行中的震動問題都會導致其出現滲漏的情況。針對這一原因，設計人員提出了以下幾種換流閥蒸發冷卻系統關鍵部件的設計改進方案。

首先，通過鋸齒形的三通閥內部閥芯結構，使閥芯與閥體能夠在壓力狀態下出現塑性變形，進而增加閥芯的貼合緊密性和閥芯接觸面積。通過鋸齒形內部閥芯的設計使用，不僅全面提升了三通閥的密封性，降低了三通閥的滲漏幾率，更有助于三通閥安裝，以旋進裝配的方式，全面降低了換流閥蒸發冷卻系統三通閥的安裝難度。

其次，在三通閥內部增設柔性墊圈。三通閥滲漏情況出現是與其系統密封性緊密相關的，因此在三通閥的改進設計中，就需要對其閥體與管路連接位置的密封性進行加強。針對于此，設計人員提出了增加柔性墊圈的改進設計方案，通過柔性墊圈在三通閥與管路連接位置的使用，就能夠全面提升三通閥的密封效果，進而降低三通閥滲漏的概率。但這種改進設計方式會增加換流閥蒸發冷卻系統的組件結構，使其安裝難度以及系統本身的復雜性有所提升。

最后，創新三通閥閥芯材料。在三通閥密封性和可靠性的改進設計中，設計人員結合換流閥蒸發冷卻系統本身的物理特性，針對其氣壓和水壓提出了閥芯材料創新的設計方案。該設計改進方案就是指通過三通閥密封圈材料性質的創新改變，保證新密封圈材料具有遇水膨脹的物理或化學特性，不僅能夠降低其安裝難度，在實際使用中，三通閥密封圈也能夠在換流閥蒸發冷卻系統中水流的影響下而膨脹，全面提升其密封性能，達到提升換流閥蒸發冷卻系統三通閥可靠性的提升。

結束語

經過該直流輸電工程企業的研究，選擇了第一種換流閥蒸發冷卻系統三通閥這一關鍵部件的改進設計研究方案，通過旋進式的裝配方法，加上曲面創新原理，對于換流閥蒸發冷卻系統的運行穩定性提升有著重要意義，保證了換流閥晶閘管安全穩定運行，對于企業直流輸電工程的發展與進步有著重要的推動意義。

參考文獻：

[1]羅永金，楊壘，馬根坡，等.復合式換流閥冷卻系統的設計與試驗[J].自動化儀表，2018（7）：11-15.

[2]盧志敏，文玉良，劉重強，等.高壓直流輸電換流閥冷卻系統仿真試驗平臺設計與實現[J].電工技術，2018，000（014）：24-27.

[3]焦秀英，王晨星，劉學忠，等.高壓換流閥內冷卻系統散熱器雜散電流腐蝕的試驗研究[J].高壓電器，2018，054（008）：65-71+80.

（作者單位：河南晶銳冷卻技術股份有限公司）