静止无功补偿装置冷却系统的逻辑优化

张 磊，王文彬，叶振江，鲁绍军，张建民，韩 君

（北京首钢股份有限公司，河北迁安 064404）

引言

静止无功补偿装置（Static Var Compensator，以下简称SVC），区别于传统无功补偿方式（即通过开关投切电容器或者通过分接开关调节电容器端电压），SVC 属于动态无功补偿产品，它具有最快10ms的响应速度。根据可调电抗器的调节方式及工作原理不同，分为TCR 型（晶闸管控制的电抗器）、TCT型（晶闸管控制的变压器）、MCR 型（磁控电抗器）3种类型。

首钢股份公司轧钢系统配套SVC 为TCR+FC（固定电容器）型，容量60 MVar，实现对无功的最优补偿，对轧钢时电压波动、闪变进行有效抑制。这种大功率半导体器件工作时会产生热量，会导致元件温度升高，温度超过所允许的最高值，会导致元件性能极度恶化，甚至损坏。以晶闸管5STP 42U6500 为例，当壳温由70 ℃升高到80 ℃时，器件工作时的通态平均电流ΙT（AV）M由3 460 A 下降到 2 840 A 左右，下降了17%；而如果壳温继续上升到90 ℃，则ΙT(AV)M将进一步下降到2 180 A，即定额电流下降了37%[1]。此外，当温度由50 ℃升高到100 ℃时，晶闸管1 000 h 故障率（Failure rate/1 000 h）将由0.001 提高到0.1 左右，故障率提高近100 倍[2]。因此，SVC 装置的冷却设备对提高运行可靠性和SVC设备寿命有重要作用。

近年的研究均表明液体冷却，特别是水冷，由于水的热容量为空气的5 300 倍，而其导热系数比空气高一两个数量级，所以水冷被视为最有效的冷却方式[3]。水冷设备虽然做为辅助设备，但在实际运行中影响到整个系统的正常运行，首钢股份公司SVC 自投产以来，运行近3 年的时间里，曾发生过多次系统故障报警及停机事故。

1 SVC水冷设备工作原理

因水冷具有优异的散热性能，高可靠性，且对环境适应能力强，所以SVC 装置冷却系统多采用水-水或水-风的方式。首钢轧钢厂SVC 装置使用水-风冷却方式，其工作原理如图1所示。

图1 水冷-风冷却系统示意图

主要设备有水冷晶闸管阀组、主循环冷却回路（水泵两台及过滤器）、去离子水处理回路、高位水箱（稳压系统）、补水装置、外循环冷却系统（水风空气冷却器）、冷却介质及管路、电气控制系统等组成。流程原理如下：

冷却系统采用全密闭循环形式，冷却介质为纯水与乙二醇的混合液，保证最低环境温度下循环管路不出现结冻。恒定压力和流量的冷却介质源源不断流经晶闸管，冷却介质温度上升并将被冷却器件（晶闸管）产生的热量带出，经主循环泵后与室外外循环冷却系统进行热交换，使冷却介质温度降低至所需要的合理范围后再次流入被冷却器件，形成冷却介质的闭式循环。

运行中按照设定要求输出温度、压力、流量、水质等各项纯水参数并在工控机上在线显示，实现智能控制，从而给大功率电力电子装置安全运行提供可靠的保证。

外循环冷却系统配备风冷散热器一台、冷却风机8台（分4组运行）。根据进阀组前水温T入（测点位置见图1）选择不同的方式启动冷却风机。冷却风机初设参数如下：

当进阀水温度T入≥35 ℃时，启动第一组风机，T入≤30 ℃时停止；

当进阀水温度T入≥38 ℃时，启动第二组风机，T入≤35 ℃时停止；

当进阀水温度T入≥42 ℃时，启动第三组风机，T入≤38 ℃时停止；

当进阀温度度T入≥45 ℃时，启动第四组风机，T入≤42 ℃时停止。

2 问题分析

该装置自投产以来，在运行近3年的时间里，曾发生过多次系统故障报警和停机事故。经分析，报警故障多为风冷电机损坏导致冷却介质温度升高所致；停机事故为夏季多台风机电机故障导致冷却效果降低，引起进阀冷却水温度≥58 ℃触发保护，导致设备停运。针对风机电机引起的报警和停机故障，我们对风机电机损坏情况分析如下：

（1）风机电机为角接形式，额定电流8.5 A，在正常启动过程中实测瞬时电流可达到40 A 以上，启动电流达到额定的5 倍以上，频繁启动是造成电机损坏的直接原因。

（2）夏季因室外温度高，水冷系统冷却介质温度长期在32～39 ℃之间，第一组风机长期运行，当温度高于38 ℃度时，第二组风机启动，进阀温度降至35 ℃时停止。7 月份时第二组风机出现频繁启停。如图2 所示，在1 h 内，第二组风机启停达到8 次，风机平均启动3.5 min，停3.5 min，又再次启动。

图2 夏季进阀水温度曲线

（3）冬季因室外温度低，水冷系统冷却介质温度在27～37 ℃之间波动，进阀冷却介质温度超过35 ℃时启动第一组风机，但因环境温度原因，冷却介质温度变化快，风机启动短时间（70 s 左右）内温度下降至30 ℃，风机停运，70～80 s 左右，冷却介质温度又升高到35 ℃，风机又开始启动，第一组风机长时间频繁启动。12月第一组风机启停次数如图3所示，在1 h 内，第一组风机启停达到17 次，风机平均启动80 s，停80 s，又再次启动。

图3 冬季进阀水温度曲线

综上所述，冷却风机启停设定值区间较小，当地极端天气条件下，风机短时间内频繁过电流启动，是造成电机烧毁的主要原因。

3 改进逻辑设计

3.1 初步措施

针对这种情况，前期我们的解决方法是，夏季将第二组风机的停运值降低，由35 ℃修改为32 ℃，保证二组风机的运行时间相对延长；冬季将一组风机的停运值降低，由30 ℃修改为24 ℃，保证一组风机的运行时间相对延长。

从2018年的运行情况来看，未发生电机烧毁的问题。

3.2 升级措施

上述运行方式，需要在换季时进行设定值的修改，费时费力，而且人为在线修改设定值易引发误操作带来的设备停运，不利于设备稳定运行。

鉴于上述原因和运行经验，考虑在外循环冷却系统附近增加测温点，将环境温度引入逻辑回路中，让风机启停的设定值随环境温度的变化自动调整。参考设计资料，当地环境温度最低-25 ℃，最高38℃。

第一组风机的停运设定值设置修改为：

当环境温度-25 ℃≤T≤-13 ℃时，第一组风机停运设定值为24 ℃；

当环境温度在-13 ℃≤T≤25 ℃变化时，第一组风机停运设定值从24 ℃至30 ℃线性改变；

当环境温度T≥25 ℃时，第一组风机停运设定值为30 ℃不变化。逻辑图如图4所示。

图4 改后启停第一组风机逻辑图

第二组风机的停运设定值设置修改为：

当环境温度在-25 ℃≤T≤20 ℃时，第二组风机停运设定值为35 ℃不变；

当环境温度在20℃≤T≤30℃时，第二组风机停运设定值从35 ℃至32 ℃线性变化；

当环境温度T≥30 ℃时，停运设定值为32 ℃不变化。逻辑图如图5所示。

第三组因投入情况较少，所以保留原逻辑不变。

因第一组风机使用频率较高，为保证运行稳定性，第四组风机修改为兼做第一组风机的备用风机，当第一组风机发生故障时，启动第四组风机进行冷却。逻辑图如图6所示。

图5 改后启停第二组风机逻辑图

图6 改后启停第四组风机逻辑图

4 结论

通过对冷却系统风机故障原因的分析，在不增加设备投资的原则下，设计实施了上述控制逻辑，降低了冷却风机的故障率，提高了SVC 设备的运行稳定性和设备寿命。