西北低温气候对直流换流站设备运行的影响及应对措施研究

王豪舟

摘 要：本文重点分析了低温对换流站充气设备、阀外冷系统及充油设备的影响，并对此提出一些合理化建议，以期对后续低温环境下新建直流工程有一定借鉴意义。

关键词：充气设备；阀外冷；充油设备；低温

0 引言

低温是西北地区一种非常突出的气候，冬季最低气温可低至零下36℃～45.7℃，对换流站正常稳定运行是一个极大挑战，研究低温对直流换流站设备的影响很有必要。本文重点分析了低温对换流站充气设备、阀外冷系统以及充油设备的影响，并对其中存在的问题提出了一些合理化建议，希望能对相关设备的运维管理及设备稳定运行起到一定的作用，并对以后在同等低温环境下新建直流工程有一定的参考价值和借鉴意义。

1 低温对充气设备的影响分析

换流站中有很多充气设备，以天山换流站为例，500kV GIS、交流滤波场、750kV区域所用的断路器以及直流场的直流分压器、阀侧套管均为充气设备（所充气体均为SF6）。因此，充气设备在换流站中起着非常重要的作用，SF6气体受温度影响较大，分析低温对充气设备的影响很有必要。

1.1SF6气体的特殊性与低温的关系

临界温度是SF6气体出现液化的最高温度，临界压力表示在这个温度下出现液化所需的气体压力。SF6气体在通常使用条件下，它有液化的可能性，因此SF6不能在过低温度下使用。

1.2SF6气体压力降低会导致的后果

天山换流站500kV GIS开关SF6额定压力值为0.5MPa，报警压力值为0.45MPa，若温度低到一定范围，则会使SF6压力低于报警值，SF6低压闭锁继电器得电，节点断开，断路器控制回路断开，如果这时线路发生故障，保护启动后，而断路器不能可靠动作，将会引起事故扩大，造成保护越级动作或者设备损坏事故发生。

1.3针对低温对气体压力影响采取的措施

为了防止上述事故的发生，保证户外断路器在冬季能够安全运行，通过分析，可采取如下措施：对SF6气体加热；降低所充SF6气体压力；将所充气体由SF6气体变为SF6与N2的混合气体；将普通压力表更换为密度继电器。

1.3.1增加罐体加热装置

以天山换流站为例，500kV GIS、交流滤波场、750kV区域断路器均有伴热带加热装置，加热装置由饶性加热板、隔热板、保温板、防护罩组成，每个加热装置中包括两个LDB-C型加热板，通过电缆与装在LCP柜内的温控器连接，实现远距离控制。

当加热装置内部温度低于设定温度时，装置自动投入，开始加热，热量通过断路器伴热带金属外壳传递给断路器内部的SF6气体，当加热装置内部温度达到设定温度时，温控装置自动停止，开始保温。当温控器或电流继电器失灵时，可通过强投开关强启加热装置，各区域断路器伴热带加热装置的温度启停值如表1所示。当伴热带报警采用电流监视时，凡是能引起电流波动以至于超出电流隔离器监测范围时，其启动装置都会启动；如果采用节点方式，只有当相应继电器失电，其节点才会断开，可靠性较低。

1.3.2降低SF6气体压力

由SF6气体特殊性与低温关系可知，SF6气体压力越小，液化温度越低，SF6气体越不易液化。本站GIS设备为西开产品，断路器SF6气体压力与其余气室SF6气体压力均比其他换流站偏小，目的为应对哈密地区冬季特殊低寒气候。西开500kV GIS气室压力与液化温度对应关系如表2所示。对于断路器气室压力而言，还需要通过加热等方法防止气体液化；对于其他气室而言，因为其气体压力对应的液化温度过低，基本不存在液化现象，因此不用采取其他措施防止SF6气体液化。

1.3.3所充气体为混合气体

为了降低低温对SF6气体的影响，可通过充混合气体的方式来降低气体的液化温度。考虑到纯的SF6气体作为绝缘介质的缺点和实际应用情况，工业上一般采用SF6和N2的混合气体。首先，N2的液化温度较低，其次，N2的成本很低，这样就降低了SF6和N2混合气体的成本，开辟了SF6和N2混合气体的应用领域。

1.3.4将普通压力表更换为密度继电器

由于SF6气体压力随着温度的变化而变化，用普通压力表来监视SF6气体压力的泄漏，在正常运行中分不清是由于真正存在气体泄漏，还是由于环境温度而造成对SF6气体压力的变化，而密度继电器只反映SF6气体密度的变化，它能自动修正温度对压力变化的影响，所以将普通压力表更换为密度继电器后就可消除上述影响。

2 低温对阀外冷系统的影响分析

低温对阀冷却系统的主要影响是直流停运或低负荷运行期间，可能导致管道冻坏的情况。哈密地区冬季气温一般在-20℃，历史最低为-32℃。换流站在使用高纯水作为冷却介质的同时，水冷系统必须采取相关的防冻策略，天山站采取相应措施如下。

2.1电加热器配置

在常规直流内冷回路中装设加热器的基础上，增设室外部分内冷管道式加热器，并且确保了加热器电源的可靠性。

2.2电动三通阀控制

设置电动三通阀，通过控制电动三通阀的阀门开度大小来调节室外回路和室内旁路的流量比例，即实现内外循环切换。

2.3空气冷却器防冻棚

空气冷却器四周设置防冻棚，防冻棚内还设有暖风机，通过室外防冻棚及内部暖风机的保护，用于冬天水冷管道防冻。冬季防冻棚根据需要全部或适量关闭保温，夏季敞开散热。

2.4增加户外排空阀

冬季气候寒冷直流停运且因站用电或主泵故障两台主泵都停运时，可将内冷水处于室外空气冷却器、冷却塔盘管及管道内部分介质通过泄空阀快速排空以防止结冰损坏管道，作为防冻的后备措施。

2.5增加保温棉

水外冷系统中有25米的的管道长期置于室外，管道中冷却水受外界温度影响很大。天山换流站要求水进阀温度不得小于10℃。由于哈密地区一天的昼夜温差很大，尤其每年冬季这一变化更为明显。为达到进阀温度不小于10℃、水冷系统水循环正常运行、不结冰等要求，除了对管道进行加热等以上措施外，还对户外管道增加保温棉作为辅助措施，尽量减少热量散失；另外站内还配置了大功率的暖风机，以备不时之需。

3 低温对充油设备的影响分析

以天山换流站为例，交流滤波场电容器、750kV联络变压器及750kV并联电抗器，在高寒地区（最低温度-32℃），应充分考虑其外部组件以及内部绝缘介质的耐寒性，否则将会严重影响户外充油设备的正常运行。

3.1低温对充油设备的影响

低温对充油设备的影响主要体现在对充油设备液体介质的影响。在冬天夜晚，西北地区气温很低，可能直至极限低温，随着温度降低，充油设备内绝缘材料绝缘性能下降。

3.2针对低温对充油设备影响的解决方案

研究表明，液体介质的凝固点温度、温度降低引起粘度的变化又是液体介质电气性能变化的主要因素。因此，用凝固点温度低、粘度低的液体介质浸渍充油设备是使充油设备有优良低温电气性能的最佳方案。

4 总结

本文针对西北地区低温气候特点，重点分析低温对换流站充气设备、阀外冷系统以及充油设备的影响以及可行的改进措施，希望对类似环境下新建直流换流站相关设备的设计、调试、运行和维护起到一定的借鉴意义。由于天山站投运时间比较短，没有更具体的数据、事例进行更进一步的分析，更多问题留待后期解决。

参考文献

[1] 国家电网公司运行分公司特高压直流换流站岗位培训教程一次设备.中国电力出版社.

[2] 赵畹君.高压直流输电工程技术.中国电力出版社.