摘要：通过目前云贵地区的换流站常用的换流阀外冷系统冷却方式进行了对比分析，分别阐述了空气冷却器和闭式冷却塔的冷却原理和技术要求，并根据高海拔地区的冷却方式提出了多种优化设计方案，为高海拔地区直流输电换流阀冷却系统外冷却方式提出了新的思路。
关键词：换流阀冷却系统；高海拔地区；闭式冷却塔；空气冷却器
Comparative study on cooling modes of converter valve cooling system
ZHANG Yan
Kunmin Bureau,CSG EHV Transmission Companies. Yunnan Kunmin,China 650217
Abstract: Through the comparative analysis of the cooling methods of the HVDC converter valve external cooling system commonly used in converter substations in Yunnan and Guizhou area, the cooling principles and technical requirements of the air cooler and the closed-circuit cooling tower are respectively elaborated, and the cooling methods in high altitude areas are proposed. A variety of optimized design schemes have been proposed, which provide new ideas for the external cooling method of the HVDC converter valve cooling system in high altitude areas.
Key words: HVDC Converter Valve cooling system; high altitude area; Closed-Circuit Cooling Towers; Air cooler
1.概述
换流阀是高压直流输电的核心装备，其中冷却设备是换流阀的核心辅助装备，其方式都是根据当地环境进行选择。
地处云贵高原的我国云南贵州拥有着大量的能源，也拥有了大型的能量输送线路-高压直流输电。当地海拔较高，地质资源奇特，常有“一山有四季，十里不同天”的说法。对于高海拔地区而言，一般气压低，意味着大气密度低，同时也意味着水的饱和温度低，水更容易蒸发。但是目前的换流站实现标准化，包括换流站的外冷却方式也是搬其他换流站而来。云贵高原的换流站阀外冷却主要两种设备：水冷（属于湿式冷却）和空冷（属于干式冷却）两种方式，干式冷却主要是采用空气冷却器，湿式冷却主要采用闭式冷却塔[1]~[2]。
云贵高原位于青藏高原东南侧虽然处于水汽通道上，但已有研究表明这一地区的降水明显少于长江流域和华南地区，也少于其上游的缅北地区，还存在显著的季节性干旱时段，气候平均下干季( 11 月至次年4 月) 降水不到年降水的15%，干、湿季分明[2]。由于季节缺水，使得换流站对水的需求较为苛刻。
一些学者以低气压条件下散热器的传热性能为研究重点，主要研究了翅片管空冷器的热效应，应用范围主要在铁路列车上的换热器。比如李毅[3]分析并推倒出大气密度和压力随海拔高度的变化规律，张长兴[4]在理论上对低气压环境中自然对流换热系数的变化进行了分析出了一些列车的换热器应用方案。
目前国内还没有低气压条件下闭式冷却塔的研究，没有针对高海拔地区换流站的外冷却系统有专门的研究。
本次研究针对换流阀外冷却系统的冷却方式进行对比分析，从工作原理、技术要求、优化改进等方面进行详细描述，梳理阀冷却系统水冷及风冷方式设计考虑的影响因素，尤其重点考虑对直流运行影响关键的因素，以此评估对后续运行维护工作中所存在的风险，以便后续工程中指导应用。
2.换流阀冷却系统原理
换流阀是典型的电力电子设备，大约95%发热来自于晶闸管、阻尼电阻和电抗器。其散热的主要方式是水冷，冷却系统流程图见图 2 1。对其进行化简可以得到图 2 2的简单示意图。
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其中C为密闭系统的传热介质的比热，是流量。如果外冷系统采用的是采用空冷器，空冷器是通过冷却循环水，增加换热器面积或提高换热器表面的空气流量。一种增加换热面的方式是在管壳上增加翅片，同时让翅片紧贴传热表面[6]。传热规律可以用如下表达式：
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式中，Qall是换热器的总换热量等于热损，k是换热器的换热换热系数。S是换热器的有效面积，ΔTm是对数平均温差。当环境温度变化时，其也发生变化。
如果外冷系统采用的是闭式冷却塔，热量Qall主要通过蒸发来实现散热，最大补充水量也相同。
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其中：Q1—蒸发损失水量（L/s）；
—总散热功率（kW）；
—水的汽化潜热（2260kJ/kg.℃）。
采用不同的冷却设备，由于需要考虑换热器的有效面积S，也需要考虑蒸发损失水量Q1，还需要考虑与之配套的环境，因此需要考虑冷却设备的布置方案。
3.换流阀外冷方式对比分析
换流阀闭式循环水冷却系统按冷却水冷却方式划分有：水－风换热（空气冷却器）、水－水换热（闭式冷却塔）和混合冷却几大类。不同类别的冷却方式技术要求也不尽相同，但一些基本的技术要求是一致的，包括：冷却系统型号，冷却系统额定冷却容量，进阀温度（设定值），进阀温度高报警设定值，进阀温度高跳闸设定值，进阀最低运行温度，进阀温度低报警设定值，阀厅进出水温差，冷却介质，电导率值（报警），正常（去离子回路）电导率值，pH 值，阀体额定流量时压降，阀冷设备设计压力，阀冷设备测试压力，主循环过滤精度，去离子回路过滤精度，冷却介质总容量等参数。
3.1.空冷器（水－风换热）
循环水在循环过程中带出的热量被循环系统送入一个密闭的风冷换热器，并最终通过风扇送入空气中。特点是被冷却的水温与环境温度密切相关，会随环境温度的变化而调整，通常循环水温会高于环境温度10-15℃。由于维护比喷淋塔简单，水－风换热方式是用来冷却高压大功率电力电子器件的最常用的方式[7]。
水－风换热方式常用的换热器为空气冷却器，即采用不锈钢管，铝翅片组合。如黑河换流站、穆家换流站、伊敏换流站、高岭换流站、格尔木换流站等采用了空冷器。这类空冷器基本不消耗水，靠增加翅片的换热面积用风将热量带走。
空气冷却器属于翅片管换热器，也称作空气冷却换热器，简称空冷器。其布置图如图 3 1所示。它由若干多支翅片管按照一定的排布规律排列而组成的换热单元叫做翅片管束[8]。翅片管束由三部分组成：翅片管、管箱和构架。直流输电换流阀用空冷器一般采用不锈钢无缝钢管和铝翅片。
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图 3 1 换流阀外冷系统布置图（空冷器）
额外技术要求：
包括外风冷设备环境温度，冷却容量，空冷器总冷却容量的裕度，空冷器综合噪声，空冷器结构形式，空冷器风机电机的绝缘等级，防护等级，空冷器风机和轴设计寿命等。
3.2.闭式冷却塔（水－水换热）
在密闭式冷却塔中，依靠向被冷却的水管喷洒水滴，由被冷却水管表面水膜的蒸发而把热水传至管壁的热量带走，流动空气与管壁的接触也起到了对流换热作用，从而使管内的热水得到冷却。这种方法的优点是冷却水温可以低于空气温度，缺点是喷淋塔维护起来较为复杂，且要消耗大量的水，一般适用于水源较为丰富的地区，该系统受到环境的温度和含湿量影响较大。
图 3 2是一种典型的带填料的闭式冷却塔结构示意图。闭式冷却塔（也叫蒸发式空冷器或密闭式冷却塔）是将管式换热器置于塔内，通过管外流通的空气、喷淋水与管内的循环水换热，实现降温目的[9]。由于循环水是闭式循环，能够保证水质不受污染，很好的保护了主设备的高效运行，提高了使用寿命。
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图 3 2 闭式冷却塔的冷却原理图
额外技术要求：
包括外水冷设备使用环境温度，冷却塔总冷却容量的裕度，冷却塔风机结构形式，冷却塔综合噪声，冷却塔风机电机的绝缘等级，防护等级，冷却塔风机和轴设计使用寿命，喷淋水水质要求等。
3.3.空气冷却器带喷雾的冷却方式
带喷雾（淋）的空气冷却器的冷却方式是我国仅有的大型换流阀外冷却方式。该方案已用于高岭换流站二期外冷却设备中，其技术原理如图 4 1。
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图 4 1 带喷淋的空气冷却器的冷却原理图
通常采用的冷却方式仍然空气冷却器，当夏季高温时，进阀温度达到报警区域时启动喷雾设备。由于水的蒸发，使得进阀温度很快降下来。优点：简单实用。缺点：很难控制喷淋与进阀温度的稳定性，需要消耗水，同时由于空气冷却器的管翅式翅片材质为铝，长期使用将出现腐蚀等问题，对其长效性将是一个潜在威胁。
3.4.闭式冷却塔串联空气冷却器冷却方式
闭式冷却塔与空气冷却器串联是解决带喷雾（淋）的空气冷却器的缺点的一种冷却方式。其技术原理如图 4 2，增加的闭式冷却塔解决了喷淋的可靠性控制，同时闭式冷却塔本身的长效性设计解决了管翅式翅片由于喷淋而引起的长效性问题。
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图 4 2闭式冷却塔与空气冷却器串联的冷却原理图
通常采用的冷却方式仍然空气冷却器。当夏季高温时，进阀温度达到报警区域时启动闭式冷却塔的喷淋设备。由于水的蒸发，使得进阀温度很快将下来。该技术克服了喷雾式管翅式翅片在喷淋下难以长效性的缺点，但仍然还存在需要消耗水的缺点。
3.5.对比分析
上述四种冷却方式在换流站均有使用
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空冷器+喷雾和空冷器串闭式冷却塔主要是为了解决环境极端高温高于换流阀设计的环境温度时的方案，从理论上来说前者为一个简易版，而后者是一个加强版。
4.换流阀外冷方式的展望
4.1.冷水机组串联空气冷却器
冷水机组已经是成熟的产业，但是目前在国内还没有将空冷器和水冷机组合运用于换流阀阀外冷却的先例。冷水机组与空气冷却器串联的冷却方式的技术原理如图 4 3 。
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图 4 3 冷水机组与空气冷却器串联的冷却原理图
一般情况下采用的冷却方式仍然空气冷却器，当夏季高温时，进阀温度达到报警区域时启动空冷冷水机组。由于水的蒸发，使得进阀温度很快降下来。优点：简单实用，降温明显。
4.2.水蓄冷或冰蓄冷冷水机组串联空气冷却器
水蓄冷/冰蓄冷空调已经是成熟的产业，将蓄冷罐做大加入到空冷器和水冷机组合运用中，其实质上是上节运用的空冷器与水冷机组的一个补充。冷水机组与空气冷却器串联的冷却方式是的技术原理如图 4 4。
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图 4 4 蓄水/蓄冰与空气冷却器串联的冷却原理图
一般情况下采用冷水机组都有缓冲罐，以便回水温度长时间尽量不超过20℃，以免压缩机发生喘振。当夏季高温时，进阀温度达到报警区域时启动蓄水装置，必要时可以起到空冷冷水机组。由于空冷冷水机组的制冷，使得进阀温度很快降下来。优点：简单实用，建立合适的压缩机和蓄冷比例，控制好压缩机的起停，降低机组的总功率，提高冷水机组寿命[10]。
5.结论
通过目前云贵地区的换流站常用的换流阀外冷系统冷却方式进行了对比分析，分别阐述了空气冷却器和闭式冷却塔的冷却原理和技术要求。空气冷却器采用不锈钢管铝翅片，目前在国内广大的换流站有使用。闭式冷却塔是带填料的不锈钢管盘管的闭式冷却塔，在国内使用也很常见。
空冷器+喷雾和空冷器串闭式冷却塔主要是为了解决环境极端高温高于换流阀设计的环境温度时的方案，从理论上来说前者为一个简易版，而后者是一个加强版。
根据高海拔地区的冷却方式提出了两种优化设计方案，冷水机组串联空冷器何蓄冷冷水机组串联空冷器，为高海拔地区直流输电换流阀冷却系统外冷却方式提出了新的思路。为以后的直流工程外冷系统提供了新的研究方向，最终通过选型计算以及价格评估获得最优的冷却方案。
参考文献
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