一种高压输电线路直流融冰装置的水冷系统及其控制方法与流程

本发明属于高压输电线路直流融冰装置的水冷系统技术领域，具体涉及一种采用igbt模块的高压输电线路直流融冰装置的水冷系统，还涉及一种采用igbt模块的高压输电线路直流融冰装置的水冷系统的控制方法。

背景技术：

2008年南方发生了百年一遇的特大雪灾，对贵州电网造成了毁灭性打击，贵州全省9个地州市88个县先后共有50个县(市、区)受停电影响，11个县全部停电。45条500kv线路有29条受灾停运，147条220kkv线路有94条受灾停运；500kv、220kv线路倒塌分别为169基和147基；12座500kv变电站有5座全站停电，51座220kv变电站有27座全站停电。

灾后贵州省陆续在110kv、220kv、500kv变电站安装了融冰装置，当前运行的融冰装置由多个厂家进行生产，已运行超过十年，其水冷系统一般由融冰装置厂商外购，型号较多，设备配件通用性差，部分甚至因年限较长，厂家已停止生产，这些在结构设计及运行中存在诸多问题，影响了融冰装置系统的稳定可靠运行，同时造成了维护工作量大、工作琐碎等问题，详见表1。

表1：贵州省融冰装置水冷系统故障情况统计表

表1中的故障设备主要包括系统通讯、控制卡件、泵、阀门以及水质指标测试仪器等。除上表所列故障外，现有融冰装置还存在补水困难；净化水质的树脂容易劣化；风-水散热冷却器通水管在极端低温天气下容易结冰堵管等问题。因此原有设备存在稳定性差、系统维护量大的缺点。

由于环境、能源、社会高效化的要求，电力电子设备和系统正朝着应用技术高频化、智能化、全数字、系统化及绿色化方向发展。以igbt(insulatedgatebipolartransistor)为主功率器件的整流器和逆变器可提高效率、减小噪声、减轻设备重量、减小体积，正广泛应用于工业、家用电器和新能源等方面。作为电力电子装置“cpu”的igbt元件，是能源变换与传输的核心器件，具有驱动功率小、饱和压降低的优点。目前，新一代融冰装置主要由igbt换流单元、驱动电路、直流支撑电容、散热片、就地控制器、结构件等组成。相对于传统基于晶闸管的直流融冰装置，igbt融冰装置输出电流谐波含量小，无需配置滤波器，运行于直流融冰模式时可实现真正的零起升压、零起升流。融冰装置往往由多个功率单元模块组成，而单个大功率igbt模块、晶闸管在工作中发热量最大可达到2kw以上，一旦igbt中核心温度在达到150°(新型180°)时将被烧毁，甚至爆炸，因此有必要研发一套性能稳定、质量可靠的冷却装置对核心功率元件进行散热保护。

工业中的散热方式主要有风冷、热管冷却、水冷等几种方式，其中具有极高换热系数的水冷却无疑是效果最好的，因此水冷却方式被广泛运用。纯水以其高的热容量、稳定性以及良好的非导电性和易获得的特性被广泛运行在电力行业。借鉴于大型汽轮发电机定子线圈纯水冷却，保证igbt散热管路不会出现腐蚀、结垢、堵塞、过热、烧毁等事故。

现有典型冷却系统的示意图如图1、图2所示，具体流程如下：

典型冷却系统1：①补水流程单元：补水箱→补水泵(b3)滤网(w2)→电磁阀(k)→补入系统。②融冰用冷却水流程单元：缓冲水箱→冷却水主泵(b1/b2)→滤网(w1)→igbt阀组→流量计(f1、f2)→水风换热冷却器(cw)→缓冲水箱。③水质监测流程单元：缓冲水箱→冷却水主泵(b1/b2)→滤网(w1)→电导率监测仪(cc1)→缓冲水箱。④水质净化流程单元：缓冲水箱→冷却水主泵(b1/b2)→滤网(w1)→树脂离子交换器(c1/c2)→滤网(w3)→流量计(f3)→缓冲水箱。

典型冷却系统2：①补水流程单元：补水箱→补水泵(b3)→滤网(w2)→补入系统。②融冰用冷却水流程单元：高位水箱→冷却水主泵(b1/b2)→滤网(w1)→流量计(f1)→igbt阀组→水风换热冷却器(cw)→高位水箱。③仪表监测流程单元：高位水箱→冷却水泵(b1/b2)→滤网(w1)→电导率监测仪(cc1)→高位水箱。④水质净化流程单元：高位水箱→冷却水泵(b1/b2)→滤网(w1)→树脂离子交换器(c1/c2)→滤网(w3)→流量计(f2)→高位水箱。

综上所述，存在如下问题：

(1)现有融冰装置水冷系统泵组采用工频驱动，在泵组启停瞬间因管道内存在气体阻塞、流体惯性等现象，管道局部容易短时超压、产生水锤等现象，对系统产生强烈冲击，造成管道系统泄漏；

(2)目前运行的融冰装置以plc就地控制为主，运行年限长、元件老化严重，通讯可靠性差，功能升级和数据更新不便，扩展开发及对外接口功能有限，容易受生产厂家限制。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种采用igbt模块的高压输电线路直流融冰装置的水冷系统和方法，克服现有水冷装置容易发生的通讯故障、仪表异常、装置漏水频繁、阀门泵体损坏、水质不合格等问题，同时优化部分设备和逻辑功能，使系统工作可靠性高、可扩展性强、自动化程度高等优点。

本发明采取的技术方案为：一种采用igbt模块的高压输电线路直流融冰装置的水冷系统，包括高位水箱、冷却水主泵、水风换热冷却器和igbt阀组，高位水箱通过管道连接到冷却水主泵，冷却水主泵通过管道连接到igbt阀组，水风换热冷却器安装在冷却水主泵与igbt阀组之间的管道上，igbt阀组通过管道连接到高位水箱，冷却水主泵的电机采用变频驱动方式。

优选的，上述高位水箱内安装有电加热装置。

优选的，上述在冷却水主泵与igbt阀组之间的管道上安装有孔板流量计。

优选的，上述水风换热冷却器输出管道分支连接有纯水电导率和ph值监测仪，纯水电导率和ph值监测仪通过管道连接到高位水箱。

优选的，上述高位水箱加上管道上安装有净水装置。

优选的，上述高位水箱为酒瓶型结构，顶端出气口安装有呼吸阀。

优选的，在igbt阀组进、出水之间的管道上安装有用于报警和保护的流量压差开关。

优选的，上述水风换热冷却器采用多个，两两相互串联后进水端与出水端分别连接到冷却水主泵与igbt阀组之间的管道上且两端分别安装有进水阀门和出水阀门，在冷却水主泵与igbt阀组之间管道上安装有与两两相互串联的水风换热冷却器并联的常闭阀门。

优选的，上述水风换热冷却器输出管道分支连接有树脂离子交换器，树脂离子交换器通过管道连接到高位水箱的输出管道。

一种采用igbt模块的高压输电线路直流融冰装置的水冷系统还包括dcs(distributedcontrolsystem)控制系统，dcs控制系统连接有调节控制模块和报警模块，还连接到联锁保护控制模块、跳闸保护控制模块和信号采集模块，调节控制模块包括依次连接的dpu(distributedprocessingunit)模块、plc频率调节模块、变频器模块、主泵转速模块、流量和压力模块以及偏差计算模块，偏差计算模块连接到dpu模块，偏差计算模块还连接有设定流量和压力模块，报警模块包括依次连接的或模块、dpu模块和报警显示模块，或模块输入温度信号、流量开关信号、压力信号、压力开关信号、水位信号、ph值信号、电导率和流量模拟量信号，联锁保护控制模块包括依次连接的dpu模块、继电器模块和联动备用设备，dpu模块输入有联动信号，跳闸保护控制模块包括依次连接的或模块、dpu模块、继电器模块和断开融冰装置模块刀闸，或模块输入有温度信号和两个与模块，其中一个与模块输入电导率信号和ph值信号，另一个与模块输入压力信号和连接三选二模块，三选二模块输入三个流量计信号。

一种采用igbt模块的高压输电线路直流融冰装置的水冷系统的控制方法，该方法为：

(1)水冷系统正常运行及监控：点击水冷系统启动按钮，水冷泵以设定的速率升速至初始运行频率，水冷系统启动运行中，dcs控制系统对水冷系统运行中的各参数进行实时监测，当水冷系统中需要监测的参数低于设定值时，dcs控制系统发出报警信号并动作相应的联锁控制模块；

(2)不同负荷工况的温度、流量、压力调节：水冷系统可以根据融冰装置实际发热量设定igbt阀组进水参数(温度、流量、压力)，达到对水冷系统温度、流量、压力的跟踪。当系统实际温度、流量、压力与设定参数(温度、流量、压力)值存在偏差时，偏差值会送入dpu模块进行pid运算，dpu模块根据正、负偏差情况输出电机增减频率指令，从而通过改变水冷电机功率来改变水冷系统的各项设定参数(温度、流量、压力)；

(3)水冷系统跳闸保护工况：水冷系统故障后需立即停运融冰装置，启到保护设备安全的作用。如igbt阀组进、出水温度高于设定值或冷却水导电率低于设定值，dpu模块会立即输出跳闸信号停运融冰装置。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的效果如下：

(1)本发明克服现有水冷装置容易发生的通讯故障、仪表异常、装置漏水频繁、阀门泵体损坏、水质不合格等问题，同时增设部分设备和逻辑功能，使系统工作具有可靠性高(如跳闸信号三取二减少了设备误动的可能)、适应性强、自动化程度高等优点，采用变频驱动方式，冷却水系统启、停过程不但压力、流量升降大小、速率可控，而且冷却水温可随igbt发热情况自由调节，节能效果显著；

(2)本发明增加电加热装置及相应启、停逻辑。优点有①采用电加热装置后冷却介质可不加防冻剂(纯水中加入防冻剂可能对水质、净水树脂产生影响，不利于融冰装置长期稳定运行)。②在igbt阀组或其它高压设备受潮结缘不合格时，可启动电加热装置提高水温，起到烘烤、提高绝缘的作用。③自动化程度高。当温度t1低于联启设定值时，联启加热器h1、h2；温度t2高于联停设定值时，联停加热器h1、h2。同时水位开关l1动作时，联停电加热器h1、h2。

(3)冷却水ph值在线仪表，监测冷却水对设备的腐蚀情况，增加冷却水ph值监测或根据电导率反算冷却水ph值可以有效降低冷却水对igbt换流阀组的腐蚀；

(4)采用“酒瓶型”高位水箱，排气口装呼吸阀。高位水箱可提高水泵入口初压，防止泵气蚀，呼吸阀能使箱内在一定压力范围内与大气隔绝、又能在超过或低于此压力范围时与大气相通，同时可防止贮罐因超压或真空导致破坏。高位水箱瓶颈设计可进一步减少纯水与空气接触，大大减缓了纯水指标的劣化速度；

(5)采用dcs分布式控制系统，结构开放，可扩展性强，在充分运用分散处理单元dpu的同时，综合利用继电器、plc控制优点，以模拟量、开关量相结合的方式实现冷却装置的监测、调节、报警、保护等功能。

综上所述：本融冰装置水冷却系统及其控制方法结构紧凑、流程合理、使用方便、维护量少、稳定性好，同时能在非融冰季节和低负荷融冰工况节约电能。保护控制从融冰装置、水冷系统到igbt阀组、泵等部件，体系完整，监测、报警多信息融合，能够避免控制系统发生误动和拒动而发生设备、部件损坏，影响融冰装置运行进一步扩大冰灾对人民生活生产的影响。同时该系统符合技术发展潮流，方便后期实现数据远传和系统远控等智能化发展模式。除运用于igbt融冰装置外，本发明可运用于基于igbt模块的超高压、特高压换流站换流阀组、svg无功补偿器等系统的冷却用水，因此该技术推广前景广阔。

附图说明

图1为现有第一种融冰装置水冷系统示意图；

图2为现有第二种融冰装置水冷系统示意图；

图3为本发明融冰装置水冷系统示意图；

图4为本发明dcs控制示意图；

图5为报警模块示意图；

图6为调节控制模块示意图；

图7为联锁保护模块示意图；

图8为跳闸保护模块示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。

实施例1：如图3-8所示，一种采用igbt模块的高压输电线路直流融冰装置的水冷系统，包括高位水箱、冷却水主泵b1、水风换热冷却器和igbt阀组，高位水箱输出端安装有温度变送器t5，高位水箱侧面安装有四个不同高度的液位传感器(液位开关)，分别为液位传感器l1、液位传感器l2、液位传感器l3和液位传感器l4，高位水箱通过管道连接到冷却水主泵，冷却水主泵通过管道连接到igbt阀组，水风换热冷却器安装在冷却水主泵与igbt阀组之间的管道上，冷却igbt阀组的回水管连接到高位水箱，冷却水主泵的电机采用变频驱动方式，该方式使得冷却水系统启、停过程不但压力、流量升降大小、速率可控，而且冷却水温可随igbt发热情况自动调节，节能效果显著，冷却水主泵b1并联有备用主泵b2，冷却水主泵b1进水端设置过滤网w1，冷却水主泵b1和过滤网w1分别并联差压开关ps3和差压开关ps1，冷却水主泵b1出水端设置有压力变送器p1，备用主泵b2进水端设置过滤网w2，备用主泵b2和过滤网w2分别并联差压开关ps4和差压开关ps2，备用主泵b2出水端设置有压力变送器p2，压力变送器p1和压力变送器p2出水端均安装有阀门，过滤网w1和过滤网w2进水端均安装有阀门，冷却水主泵b1与水风换热冷却器之间安装有温度变送器t1和压力变送器p3，水风换热冷却器输出端安装有温度变送器t2。

优选的，上述高位水箱内安装有电加热装置，增加电加热装置及相应启、停逻辑。优点有：①采用电加热装置后冷却介质可不加防冻剂(纯水中加入防冻剂可能对水质、净水树脂产生影响，不利于融冰装置长期稳定运行)。②在igbt阀组或其它高压设备受潮结缘不合格时，可启动电加热装置提高水温，起到烘烤、提高绝缘的作用。③自动化程度高。当温度t1低于联启设定值时，联启加热器h1、h2；温度t2高于联停设定值时，联停加热器h1、h2。同时水位开关l1动作时，联停电加热器h1、h2。

优选的，上述在冷却水主泵与igbt阀组之间的管道上安装有孔板流量计v1，孔板流量计v1并联有差压变送器f1，孔板流量计与igbt阀组之间安装有过滤网w3，过滤网w3并联有差压开关ps9，过滤网w3进出端分别安装有温度变送器t3和压力变送器p4，igbt阀组输出端安装有温度变送器t4，igbt阀组输出端还分支连接到并联的差压开关ps5、差压开关ps6、差压开关ps7和差压开关ps8的一端，并联的差压开关ps5、差压开关ps6、差压开关ps7和差压开关ps8的另一端连接到igbt阀组输入端，igbt阀组的每个igbt阀两端均安装有阀门。

优选的，上述水风换热冷却器输出管道分支连接有纯水电导率(cc1和cc2)和ph值监测仪(ph1)，纯水电导率采用两个，分别为纯水电导率cc1和纯水电导率cc2，纯水电导率cc1、纯水电导率cc2和ph值监测仪通过管道并联连接到高位水箱，ph值监测仪(ph1)两端安装有阀门，冷却水ph值在线仪表，监测冷却水对设备的腐蚀情况，增加冷却水ph值监测或根据电导率反算冷却水ph值可以有效降低冷却水对igbt换流阀组的腐蚀。

优选的，上述高位水箱加上管道上安装有净水装置z，净水装置z输出端安装有电磁阀d1，输入端连接到外接自来水。

优选的，上述高位水箱为酒瓶型结构，顶端出气口安装有呼吸阀，采用“酒瓶型”高位水箱，排气口装呼吸阀。高位水箱可提高水泵入口初压，防止泵气蚀，呼吸阀能使箱内在一定压力范围内与大气隔绝、又能在超过或低于此压力范围时与大气相通，同时可防止贮罐因超压或真空导致破坏。高位水箱瓶颈设计可进一步减少纯水与空气接触，大大减缓了纯水指标的劣化速度。

优选的，上述水风换热冷却器采用多个，两两相互串联后进水端与出水端分别连接到冷却水主泵与igbt阀组之间的管道上且两端分别安装有进水阀门和出水阀门，在冷却水主泵与igbt阀组之间管道上安装有与两两相互串联的水风换热冷却器并联的常闭阀门。

优选的，上述水风换热冷却器输出管道分支连接有树脂离子交换器c1，树脂离子交换器c1通过管道连接到高位水箱的输出管道，树脂离子交换器c1输入端安装电磁阀d2输出端依次连接有过滤网w4和流量孔板v2，过滤网w4和流量孔板v2分别并联有差压开关ps10和差压变送器f2，流量孔板v2输出端安装有阀门。

一种采用igbt模块的高压输电线路直流融冰装置的水冷系统还包括dcs控制系统，dcs控制系统连接有调节控制模块和报警模块，还连接到联锁保护控制模块、跳闸保护控制模块和信号采集模块，调节控制模块包括依次连接的dpu模块、plc频率调节模块、变频器模块、主泵转速模块、流量和压力模块以及偏差计算模块，偏差计算模块连接到dpu模块，偏差计算模块还连接有设定流量和压力模块，报警模块包括依次连接的或模块、dpu模块和报警显示模块，或模块输入温度信号、流量开关信号、压力信号、压力开关信号、水位信号、ph值信号、电导率和流量模拟量信号，联锁保护控制模块包括依次连接的dpu模块、继电器模块和联动备用设备，dpu模块输入有联动信号，跳闸保护控制模块包括依次连接的或模块、dpu模块、继电器模块和断开融冰装置模块刀闸，或模块输入有温度信号和两个与模块，其中一个与模块输入电导率信号和ph值信号，另一个与模块输入压力信号和连接三选二模块，三选二模块输入三个流量计信号，采用dcs分布式控制系统，结构开放，可扩展性强，在充分运用分散处理单元dpu的同时，综合利用继电器、plc控制优点，以模拟量、开关量相结合的方式实现冷却装置的监测、调节、报警、保护等功能。

实施例2：一种采用igbt模块的高压输电线路直流融冰装置的水冷系统的控制方法，该方法为：

(1)水冷系统正常运行及监控：点击水冷系统启动按钮，水冷泵以设定的速率升速至初始运行频率，水冷系统启动运行中，dcs控制系统对水冷系统运行中的各参数进行实时监测，当水冷系统中需要监测的参数低于设定值时，dcs控制系统发出报警信号并动作相应的联锁控制模块；

(2)不同负荷工况的温度、流量、压力调节：水冷系统可以根据融冰装置实际发热量设定igbt阀组进水参数(温度、流量、压力)，达到对水冷系统温度、流量、压力的跟踪。当系统实际温度、流量、压力与设定参数(温度、流量、压力)值存在偏差时，偏差值会送入dpu模块进行pid运算，dpu模块根据正、负偏差情况输出电机增减频率指令，从而通过改变水冷电机功率来改变水冷系统的各项设定参数(温度、流量、压力)；

(3)水冷系统跳闸保护工况：水冷系统故障后需立即停运融冰装置，启到保护设备安全的作用。如igbt阀组进、出水温度高于设定值或冷却水导电率低于设定值，dpu模块会立即输出跳闸信号停运融冰装置。

图7中联动信号：(1)水位(l1)动作，联停电加热器h1、h2，同时联停运行主泵；

(2)水位(l4)动作，联停净水装置z，同时联关电磁阀d1；

(3)运行泵压力开关(ps3/ps4)低于设定值，且对应出口压力(p1/p2)低与定值，联启备用主泵；

(4)压力开关(ps5)低于设定值，且流量(f1)低，联启备用主泵；

(5)温度(t1)低，联启加热器h1、h2；温度(t2)高，联停加热器h1、h2，温度(t2)>定值4，换热器全部投入；

(6)温度(t2)>定值1，投入一组cw4，温度(t2)>定值2，再投入一组cw3，温度(t2)>定值3，再投一组cw2，温度(t2)>定值4，换热器全部投入；退出逻辑相反；t1<t2<t3<t4。

(7)运行主泵跳闸(b1/b2)，联启备用主泵(b1/b2。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。