統(tǒng)一潮流控制器閥廳微正壓環(huán)境的建立和管理策略

劉瑜俊，柏　彬，朱海峰，洪莎莎，王章軒

安裝實(shí)驗(yàn)

統(tǒng)一潮流控制器閥廳微正壓環(huán)境的建立和管理策略

劉瑜俊，柏彬，朱海峰，洪莎莎，王章軒

（江蘇省電力公司電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，江蘇南京210008）

南京西環(huán)網(wǎng)統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）示范工程是我國(guó)第一個(gè)基于模塊化多電平技術(shù)的UPFC工程，是我國(guó)在柔性交流輸電領(lǐng)域的重要成果。閥廳是UPFC示范工程的重要設(shè)備換流閥所在區(qū)域，而換流閥對(duì)閥廳的溫度、濕度和潔凈度要求很高，使得閥廳的建設(shè)和管理成為整個(gè)工程的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)。文中首先通過對(duì)閥廳內(nèi)溫度、濕度的數(shù)學(xué)建模，分析了影響閥廳溫濕度的關(guān)鍵因素，然后針對(duì)閥廳的環(huán)境要求，使用分階段管控方案、暖通系統(tǒng)、新風(fēng)系統(tǒng)和新型監(jiān)控手段對(duì)閥廳環(huán)境進(jìn)行嚴(yán)密管控，形成了符合要求的閥廳微正壓環(huán)境。

建設(shè)管理；UFPC；微正壓

南京西環(huán)網(wǎng)統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）示范工程是我國(guó)第一個(gè)、世界上第四個(gè)UPFC工程［1-4］，也是世界上第一個(gè)基于模塊化多電平（MMC）技術(shù)的UPFC工程，代表了當(dāng)今世界柔性交流輸電技術(shù)的最高水平［5］。該工程由我國(guó)自主設(shè)計(jì)、研發(fā)和建設(shè)，是我國(guó)在柔性交流輸電技術(shù)領(lǐng)域取得的又一世界級(jí)創(chuàng)新成果。南京UPFC工程的建設(shè)可以使得南京西環(huán)網(wǎng)各輸電通道的潮流分布能夠靈活調(diào)節(jié)，解決了南京西環(huán)網(wǎng)地區(qū)長(zhǎng)期存在的潮流分布不均、供電能力不足，新增輸電通道又投資巨大、難以實(shí)施的問題。該工程的建設(shè)為國(guó)內(nèi)高度城市化地區(qū)電網(wǎng)采用智能輸電技術(shù)提升供電能力，破解電網(wǎng)建設(shè)難題起到示范作用，并為將來在更高電壓等級(jí)電網(wǎng)應(yīng)用UPFC積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，將有力地推進(jìn)我國(guó)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的建設(shè)與發(fā)展。閥廳是UPFC工程中最為關(guān)鍵的區(qū)域，閥廳中布置有換流閥閥塔、換流閥控制保護(hù)系統(tǒng)、直流場(chǎng)、晶閘管旁路開關(guān)以及水冷設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)潮流控制的核心區(qū)域。其中的設(shè)備對(duì)閥廳環(huán)境具有比較高的“微正壓”要求，需一定的管控手段，來保證工程的安全質(zhì)量符合設(shè)備所需指標(biāo)。

1　南京西環(huán)網(wǎng)統(tǒng)一潮流控制器示范工程

1.1工程概況

南京220 kV西環(huán)網(wǎng)統(tǒng)一潮流控制器示范工程，站址位于南京市棲霞區(qū)燕子磯新城，利用原燕子磯220 kV變電站戶內(nèi)化改造后的空余場(chǎng)地。建設(shè)UPFC成套裝置，輸出功率-40～40 MW，無功-60～60 Mvar，分為閥廳區(qū)和戶外設(shè)備區(qū)，建筑體積18 757 m3，占地面積9400 m2。同期新建鐵北220 kV開關(guān)站工程，占地面積8400 m2。建設(shè)配套220 kV線路9條。

1.2閥廳建立和運(yùn)行的環(huán)境要求

閥廳包含3個(gè)換流閥室、直流場(chǎng)區(qū)域、水冷卻機(jī)室、晶閘管旁路開關(guān)室、UPFC控制保護(hù)室、備品備件室、檢修巡視通道和參觀通道，如圖1所示。

圖1　閥廳平面示意圖

（1）換流閥閥廳電磁屏蔽要求。換流站閥廳采取嚴(yán)格的電磁屏蔽措施，來削弱向閥廳外傳播的空間輻射，避免換流閥所產(chǎn)生的電磁騷擾對(duì)周邊人員、換流站內(nèi)設(shè)備和鄰近地區(qū)的通信系統(tǒng)形成干擾。

（2）對(duì)于換流閥室微正壓和無塵要求。換流閥室內(nèi)安裝有UPFC換流主設(shè)備，因此在安裝和運(yùn)行過程中對(duì)換流閥室內(nèi)的環(huán)境要求比較高。首先，換流閥組在安裝之前需要對(duì)閥廳進(jìn)行全面清潔；其次，換流閥拆箱、安裝對(duì)環(huán)境的潔凈、溫度及空氣相對(duì)濕度有較高的要求；更為重要的是，閥組設(shè)備要求閥廳密封狀況必須良好，換流閥室內(nèi)應(yīng)保持微正壓環(huán)境，空氣相對(duì)濕度不能超過60%RH。具體運(yùn)行及環(huán)境要求如表1所示。

表1　換流閥室的運(yùn)行及試驗(yàn)環(huán)境要求

2　閥廳環(huán)境參數(shù)的溫濕度建模

閥廳綜合環(huán)境參數(shù)包含溫度、濕度、粉塵3種參數(shù)，這3種參數(shù)即為閥廳環(huán)境控制的核心。

2.1閥廳溫度建模

首先，閥廳內(nèi)溫度受室外氣象條件與室外建筑（設(shè)備）及燈光散熱等影響。周圍環(huán)境表面的綜合溫度可以采用公式計(jì)算得到，即：

式（1）中：Tcom為周圍環(huán)境表面的綜合溫度，K；Tear為地表溫度，K；Twea為天空有效溫度，K；Tsur為鄰近建筑（設(shè)備）表面溫度，K；fear為地面角系數(shù)；fsur為鄰近建筑（設(shè)備）表面對(duì)待模擬建筑表面的角系數(shù)。以上各參數(shù)根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)和設(shè)備運(yùn)行參數(shù)決定［6，7］。

閥廳北側(cè)是交流配電裝置區(qū)域，主要包括機(jī)械旁路開關(guān)、TBS進(jìn)線設(shè)備、中性點(diǎn)接地電阻、啟動(dòng)電阻、運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換隔離開關(guān)以及各種電壓電流測(cè)量裝置。在運(yùn)行階段，交流配電設(shè)備產(chǎn)生的熱將會(huì)對(duì)閥廳內(nèi)的溫度產(chǎn)生一定的影響。而在建設(shè)階段，這些設(shè)備本身不發(fā)熱，但是周圍會(huì)有起重吊裝設(shè)備、焊接設(shè)備等配套大功率施工設(shè)備，對(duì)閥廳內(nèi)溫度產(chǎn)生一定的影響。其次，閥廳室內(nèi)影響因素對(duì)閥廳的整體溫度影響更大，主要包括室內(nèi)照明裝置、設(shè)備和人體等的散熱。閥廳內(nèi)主要設(shè)備包括換流閥、TBS閥等，在運(yùn)行后將成為閥廳內(nèi)的主要熱負(fù)荷。同時(shí)，閥廳內(nèi)還存在為閥組設(shè)備配備的用于散熱的水冷設(shè)備，其在自身產(chǎn)生熱的同時(shí)，更多帶走了閥組和閥廳內(nèi)的熱量。因此閥廳在運(yùn)行階段的熱負(fù)荷計(jì)算公式為：

式（2）中：Qin為閥廳內(nèi)的熱負(fù)荷總量；Qequ為由設(shè)備引起的熱負(fù)荷；Qlig為由照明引起的熱負(fù)荷；Qman為由人體引起的熱負(fù)荷；Qrad為散熱系統(tǒng)逸散的熱負(fù)荷。

而在建設(shè)階段主要電氣設(shè)備都處于不運(yùn)行的狀態(tài)，所以電氣設(shè)備沒有發(fā)熱，僅有施工設(shè)備的熱量；而為換流閥冷卻配置的水冷設(shè)備也不在工作狀態(tài)，所以也沒有額外的散熱手段。因此式（2）可簡(jiǎn)化為：

式（3）中：Q'in為建設(shè)階段閥廳的熱負(fù)荷；Q'equ為除閥廳電氣設(shè)備外由其他設(shè)備引起的熱負(fù)荷。

因此閥廳的室內(nèi)溫度可以由計(jì)算得到［8］：

式（4，5）中：C為空氣比熱容，取值為1.4 J/（kg·K）；M為室內(nèi)空氣質(zhì)量；ρ為空氣濃度，取值為1.205 kg/m3；V為室內(nèi)建筑體積，m3；T為室內(nèi)溫度，K。

通過分析可知，閥廳的溫度主要與氣溫、閥廳內(nèi)外的運(yùn)行設(shè)備以及進(jìn)出人員有關(guān)，應(yīng)著力控制發(fā)熱設(shè)備的使用，限制人員進(jìn)出閥廳。

2.2閥廳濕度建模

閥廳內(nèi)的濕度主要受到空氣濕度的影響，另外人員和水冷設(shè)備也會(huì)對(duì)閥廳濕度產(chǎn)生的一定的影響，在管理到位的情況下，影響比較輕微。因此濕度的計(jì)算主要考慮國(guó)家氣象局出版的《濕度查算表》使用的國(guó)際氣象組織（WMEO）推薦的公式進(jìn)行計(jì)算，即：

式（8）中：U為相對(duì)濕度，%；t1為濕球溫度，℃；t2為濕球溫度，℃；T1為水的三相點(diǎn)溫度，取值為273.16 K；T為絕對(duì)溫度，K；P為本地氣壓，MPa；A為干濕表系數(shù)，是隨濕度表是否結(jié)冰和通風(fēng)條件不同而定；e為空氣中的水汽壓，MPa；ew（t）為溫度在t時(shí)的液面飽和水汽壓，MPa；以上公式適宜溫度范圍是-49.9～49.8℃。

閥廳的濕度主要受到空氣濕度的影響，應(yīng)對(duì)進(jìn)入閥廳的空氣進(jìn)行一定的干燥處理，同時(shí)避免人員等其他因素對(duì)閥廳濕度的影響。

3　閥廳的管理手段和模式

閥廳的微正壓、濕度、溫度和無塵要求需要通過多種管控手段協(xié)同才能保證，工程中主要通過暖通設(shè)備來實(shí)現(xiàn)這一系列的要求，并通過分階段管控方案、水冷設(shè)備等手段進(jìn)行輔助管理。閥廳管控手段與環(huán)境指標(biāo)關(guān)系如圖2所示。

圖2　閥廳管控手段與環(huán)境指標(biāo)關(guān)系圖

3.1閥廳分階段管控方案

因?yàn)橹饕獡Q流閥設(shè)備對(duì)工作環(huán)境要求較高，有嚴(yán)格的溫度、濕度和防塵要求，為確保閥廳建設(shè)施工的安全、有序、規(guī)范進(jìn)行，在閥廳土建基本完成后，根據(jù)內(nèi)部的建設(shè)流程和施工安排，在管理上將閥廳從建設(shè)到試驗(yàn)運(yùn)行的整個(gè)過程分成3個(gè)階段，實(shí)行不同等級(jí)的管理要求。

（1）第一階段主要施工內(nèi)容為閥廳內(nèi)各室中支架、管道等輔助設(shè)備安裝，對(duì)環(huán)境要求不高，但必須保證各施工單位有序進(jìn)場(chǎng)進(jìn)行設(shè)備安裝，防止對(duì)設(shè)施設(shè)備造成損壞。因此，這一階段主要管控手段是在閥廳的2個(gè)門口實(shí)行嚴(yán)格的門禁標(biāo)準(zhǔn)化管理，對(duì)進(jìn)出入人員、設(shè)備、設(shè)施進(jìn)行登記，并與施工計(jì)劃進(jìn)行核對(duì)，對(duì)于不符合計(jì)劃安排的人員進(jìn)行勸阻，保證現(xiàn)場(chǎng)施工人員能夠順暢作業(yè)。

（2）第二階段為閥廳內(nèi)隔離刀閘等常規(guī)電氣設(shè)備以及水冷機(jī)組、暖通設(shè)備的安裝，需要閥廳內(nèi)滿足封閉、通風(fēng)、和初步無塵要求。因此現(xiàn)場(chǎng)需要進(jìn)一步加強(qiáng)第一階段的門禁管理，進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)的人員必須要有工作票，佩戴工作證才能進(jìn)入，并且不允許在閥廳內(nèi)進(jìn)行可能對(duì)閥廳內(nèi)環(huán)境造成污染的作業(yè)。

（3）第三階段為閥組等重要電氣設(shè)備進(jìn)場(chǎng)后的安裝、接線、調(diào)試和運(yùn)行階段，這一階段的要求將貫穿在閥組全壽命周期，是管理最為嚴(yán)格，指標(biāo)要求最高的階段。換流閥設(shè)備安裝和運(yùn)行對(duì)室內(nèi)環(huán)境的要求主要集中在微正壓、潔凈、溫度及空氣相對(duì)濕度四個(gè)方面，因此閥廳內(nèi)應(yīng)嚴(yán)格達(dá)到封閉、通風(fēng)、微正壓和精細(xì)化無塵要求，還應(yīng)保證閥廳內(nèi)各室全封閉，保證閥廳進(jìn)出人員的著裝符合潔凈要求。因此在階段二的門禁管控基礎(chǔ)上，要加強(qiáng)進(jìn)入人員的潔凈度，所以進(jìn)入閥廳的人員要保證衣服整潔，穿鞋套進(jìn)入。而對(duì)于要進(jìn)入閥塔室的施工和調(diào)試人員，進(jìn)一步要求其更換潔凈的連體工作服，帶頭套后才能進(jìn)入。

3個(gè)建設(shè)階段之間均設(shè)置清潔階段，分別在施工銜接時(shí)對(duì)閥廳內(nèi)進(jìn)行初步清潔和全面清潔，以配合實(shí)現(xiàn)閥廳內(nèi)環(huán)境的潔凈和無塵要求。

3.2暖通系統(tǒng)

工程閥廳設(shè)置通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，其服務(wù)區(qū)域包括閥廳、水冷控制屏柜間、閥廳直流場(chǎng)、TBS閥組室等區(qū)域，系統(tǒng)型式為低速全空氣空調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)考慮全年運(yùn)行。UPFC工程通過控制室設(shè)置全年運(yùn)行的集中式全空氣空調(diào)系統(tǒng)，維持房間的溫度、濕度及微正壓環(huán)境，其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)全年溫度10～45℃、相對(duì)濕度25%～60%、室內(nèi)微正壓值5～30 Pa。

空調(diào)機(jī)組的自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過監(jiān)測(cè)回風(fēng)溫濕度自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)組的制冷、加熱、加濕、過濾運(yùn)行，以使室內(nèi)溫濕度能滿足設(shè)計(jì)要求?？照{(diào)機(jī)組進(jìn)出風(fēng)口、新排風(fēng)口處的電動(dòng)風(fēng)閥及加濕器管上的電動(dòng)閥開啟及關(guān)閉與機(jī)組啟停聯(lián)鎖，并由機(jī)組電控柜控制。空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)需調(diào)節(jié)新、排風(fēng)閥門的開度保證各空調(diào)區(qū)域5～30 Pa正壓以防止粉塵侵入。屋頂空調(diào)采用雙層百葉風(fēng)口，減少風(fēng)管內(nèi)灰塵進(jìn)入閥廳。夏季及冬季按總風(fēng)量的10%補(bǔ)充新風(fēng)，新風(fēng)量約4500 m3/h，補(bǔ)充新風(fēng)時(shí)空調(diào)機(jī)組的排風(fēng)閥關(guān)閉。暖通設(shè)備是維持閥廳環(huán)境的主力設(shè)備，是閥廳環(huán)境保持的關(guān)鍵技術(shù)。

3.3閥廳新風(fēng)系統(tǒng)

新風(fēng)系統(tǒng)主要應(yīng)用于對(duì)安裝和運(yùn)行環(huán)境要求較高的設(shè)備，例如工程中的閥組設(shè)備，灰塵將會(huì)減少設(shè)備的使用壽命，甚至出現(xiàn)設(shè)備事故［9］。UPFC示范工程應(yīng)用了最新研制的新風(fēng)系統(tǒng)裝置，裝配在閥廳的東側(cè)，在外部環(huán)境相對(duì)復(fù)雜的情況下，將會(huì)不斷把干燥、潔凈無塵的空氣充入閥廳中，能夠防止外部灰塵、潮氣污染閥廳，保證閥廳安裝的高要求、嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)，以及投運(yùn)后的可靠運(yùn)行，在工程中得到良好的應(yīng)用。新風(fēng)系統(tǒng)裝置的順利應(yīng)用，對(duì)電網(wǎng)設(shè)備安全運(yùn)行有著重要意義?？梢栽黾与娏υO(shè)備全壽命周期中的運(yùn)行效率，減少電網(wǎng)因設(shè)備故障停運(yùn)的概率，有著極大的社會(huì)效益。

3.4新型監(jiān)控手段

工程還應(yīng)用了新型監(jiān)控手段來應(yīng)對(duì)過熱、火災(zāi)等特殊情況，保證閥廳的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2.1閥廳紅外測(cè)溫巡檢系統(tǒng)

示范工程的視頻監(jiān)控在站內(nèi)設(shè)有常規(guī)監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)閥塔等設(shè)備的缺陷或隱患，提高巡視任務(wù)的效率，確保電氣設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，還采用集中監(jiān)控與智能軌道式巡檢系統(tǒng)相結(jié)合方式構(gòu)架的智能監(jiān)控系統(tǒng)。集中監(jiān)控與智能巡檢系統(tǒng)互為備用，相互補(bǔ)充，能夠有效解決圖像監(jiān)視系統(tǒng)的死區(qū)和遮擋問題。

巡檢系統(tǒng)的安裝地點(diǎn)依據(jù)閥室的巡視線路確定，每個(gè)閥廳內(nèi)安裝一套紅外測(cè)溫巡檢遠(yuǎn)程紅外溫度智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在閥塔四周架設(shè)一組U型軌道，搭載一套一體化可伸縮球型雙倉熱成像機(jī)。紅外測(cè)溫巡檢系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)采用紅外熱像儀與可見光攝像機(jī)同步工作方式，監(jiān)視閥廳內(nèi)閥塔的外觀狀態(tài)、工作狀態(tài)、溫度場(chǎng)分布情況。攝像機(jī)可移動(dòng)、伸縮，能對(duì)閥塔進(jìn)行全方位監(jiān)控，有效解決了固定位置的視頻監(jiān)控系統(tǒng)受閥塔整體較高且分層等客觀條件限制。紅外測(cè)溫智能巡檢系統(tǒng)除了具有在任意設(shè)定時(shí)間進(jìn)行巡視檢查工作、自主和遙控巡視、圖像遙傳、自動(dòng)停障、各巡視設(shè)備歷史數(shù)據(jù)分析等功能之外，還具備在自動(dòng)巡檢過程中任意采集紅外熱圖進(jìn)行智能識(shí)別技術(shù)，獲得圖中所有涉及設(shè)備的精確位置及工作溫度的功能。紅外測(cè)溫智能巡檢系統(tǒng)通過對(duì)設(shè)備溫度數(shù)據(jù)的分析進(jìn)行設(shè)備缺陷診斷，并提供超溫報(bào)警、差溫報(bào)警等功能。

3.2.2閥廳火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

因?yàn)殚y廳布置相對(duì)密集，重要設(shè)備多，且設(shè)備發(fā)熱量大，容易形成火災(zāi)。使用傳統(tǒng)的火災(zāi)預(yù)防方法有可能出現(xiàn)報(bào)警信號(hào)滯后，無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，盡早消除隱患的問題。因此，閥廳的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)根據(jù)UPFC控制室、TBS室、閥廳及直流設(shè)備室等不同的保護(hù)對(duì)象，分別采用溫、煙、光感探測(cè)器和熱敏溫感線等不同的探測(cè)手段，從多角度探測(cè)火災(zāi)隱患，力保設(shè)備安全。

工程火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)除配置了傳統(tǒng)的感煙探測(cè)器外，還針對(duì)閥塔重要性高、容易發(fā)熱的特點(diǎn)，綜合配置了極早期煙霧探測(cè)器和紫外火焰探測(cè)器對(duì)閥室進(jìn)行全方位的保護(hù)，如圖3所示。另外還在新風(fēng)口處設(shè)置了極早期煙霧探測(cè)器檢測(cè)室外空氣，防止室外空氣中的煙霧進(jìn)入閥室而導(dǎo)致火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)誤動(dòng)作。

圖3　閥廳火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)示意圖

4　結(jié)束語

本文針對(duì)換流閥對(duì)閥廳微正壓環(huán)境的具體要求，通過數(shù)學(xué)建模分析了影響閥廳溫濕度的主要因素，并相應(yīng)地運(yùn)用各種管控手段和設(shè)備來應(yīng)對(duì)，取得了較好的效果，從而保證了閥廳內(nèi)閥組設(shè)備的順利安裝、調(diào)試和運(yùn)行。工程建設(shè)過程中采用的分階段管控手段和設(shè)備對(duì)今后其他柔性輸電技術(shù)建設(shè)管理方案的制定具有一定的借鑒意義。

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Establishment and Management Strategy of the Micro-positive Pressure in the Valve Hall of UPFC

LIU Yujun，BAI Bin，ZHU Haifeng，HONG Shasha，WANG Zhangxuan
（State Grid Jiangsu Economic Research Institute，Nanjing 210008，China）

The Nanjing western power grid unified power flow controller（UPFC）project is the first UPFC project based on the modular multilevel converter（MMC）technology.This project is an important achievement of flexible alternating current transmission system of China.The valve hall which contains the converters has a high level requirement of temperature，humidity and cleanliness.So the construction and management of the valve hall room becomes the most significant step of the whole project.With the analysis of the circumstances of the valve hall，this paper builds the mathematic models of the temperature and humidity.According to the analysis，a series of control method is applied to the hall，such as the staged control method，the heating and ventilating system，the fresh air system and the monitor systems.All the control methods form a strict control system to maintain the micro positive pressure in the valve hall.

construction management；unified power flow controller（UPFC）；micro positive pressure

TM631

A

1009-0665（2015）06-0061-04

2015-08-11；

2015-09-17

劉瑜?。?988），男，江蘇阜寧人，博士，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制、電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)、儲(chǔ)能技術(shù)；

柏彬（1980），男，江蘇南京人，高級(jí)工程師，從事電網(wǎng)建設(shè)管理方面的工作；

朱海峰（1974），男，江蘇啟動(dòng)人，高級(jí)工程師，從事電網(wǎng)規(guī)劃及建設(shè)管理方面的工作；

洪莎莎（1984），女，江蘇南京人，工程師，從事電網(wǎng)建設(shè)管理方面的工作；

王章軒（1984），男，江蘇南京人，工程師，從事電網(wǎng)建設(shè)管理方面的工作。