电容式液位计在换流阀水冷系统中的应用研究

摘要：为进一步提升换流阀水冷系统运行可靠性，更加准确地监测膨胀罐和外冷喷淋水池液位信息，研究电容式液位计的测量工作原理，分析膨胀罐和喷淋水池不同的应用环境，给出对应的电容式液位计选型方案以及使用过程中的注意事项。

引言

随着我国社会经济持续稳定发展，大容量远距离输电等技术被广泛应用，特高压直流输电系统作为构成坚强电网骨干网架和进行电力大规模远距离传输的重要方式，具有线路造价低、运行电能损耗小、线路走廊窄、调节速度快、运行可靠等优点，大幅提升电力输送能力。换流阀是换流站的核心设备，正常运行时会产生大量的热损耗，导致电抗器、晶闸管等器件温度急剧上升 [1-3]。为了保护换流阀核心设备、提升直流输电系统的运行可靠性，防止这些器件在运行过程中因持续高温而损坏，传统的自然散热和强制风冷散热远不能满足其散热要求，必须采取散热效率高、可靠性高的换流阀水冷系统。

对于换流阀水冷系统而言，充足的水量是保证降温效果的前提，也是保证阀冷系统稳定运行的关键。一旦出现漏水、补水泵故障或其他原因导致的阀冷系统水量不足，都将有可能直接导致阀冷系统停运，进而导致换流站直流闭锁，造成更严重的经济损失。因此，实时监测阀冷系统水位信息，是保障阀冷系统安全稳定运行和提升直流输电系统运行可靠性的重要举措。

1 阀冷却系统工作原理

阀冷系统由内冷系统和外冷系统组成，以水 - 水冷系统为例，其内冷系统是一个密闭的循环冷却系统，内冷却水将运行中的换流阀产生的热量吸收；外冷系统为敞开式循环系统，主要负责对内冷却水进行冷却降温。内冷系统分为主水回路和水处理回路，主要包括主循环泵、脱气罐、主过滤器、补水泵、离子交换罐、氮气瓶、膨胀罐等设备。内冷却水通过两台互为备用的主循环泵驱动，流经换流阀本体并将其产生的热量带走；补水泵、氮气瓶和膨胀罐用来维持内冷系统的压力和水位稳定。外水冷系统主要包括闭式冷却塔、喷淋泵组、软化装置等设备。内冷却水经过换流阀阀体之后温度升高，通过主循环泵的驱动进入外冷系统，喷淋泵组抽取喷淋水池内的外冷却水，喷淋在闭式冷却塔的换热盘管上以降低内冷却水的温度，内冷却水温度降低后再流经换流阀进行循环冷却 [4-6]。阀水冷系统的工作流程如图 1 所示。

2 电容式液位计的测量原理及分类

电容式液位计是利用物位高低变化影响容器的电容值变化的原理来进行测量的，可用于测量高温、高压、强腐蚀等介质的液位，不受介质的粘度、密度和工作压力影响，具有极高的抗干扰性和可靠性。由于被测液体的介电常数和液面之上的介电常数不同，由电容值的决定式 C=εS/4πkd 可知，电容值 C 与介电常数 ε 和极板正对面积 S 成正比，与极板间的距离 d 成反比。若被测液体的介电常数更大，则当液位升高时，两电极间总的介电常数值随之加大，因而电容量增大；反之，当液位下降时，电容量减小。常见介质的典型介电常数如下表所示。

如图 2 所示，传感器和容器壁（导电材质制成）构成一个电容器，当传感器处于空气中时，测量到的是一个小数值的初始电容值 CA ；当容器中有物料注入时，电容值将随传感器被物料所覆盖区域面积的增大而相应地增大，测量得到一个电容值 CB，电容值的变化量 dC=CB － CA ；变送器模块将电容值变化量转换成与液位成比例关系的信号。

容器电容值的电子计算是基于相位选择测量原理工作的，在此过程中，测量交变电流的大小以及电压与电流间的相位差，根据这两个特征参数，基于介质电容值计算无功电流，基于介謘hou杩辜扑闶导实缌鳌Ｐ枰⒁獾氖牵衅魃系牡嫉缧哉掣轿镆约袄淠嗟庇诟郊咏橹shou杩梗岬贾虏饬课蟛睿枰写衅髡掣讲钩ァ�

根据不同应用场景，可以选择杆式传感器或者缆式传感器；根据不同的安装形式，可以选择带屏蔽段或者不带屏蔽段；根据不同的容器材质，可以选择带接地管和不带接地管。

3、电容式液位计选型及使用注意事项

3.1 电容式液位计的选型

对于阀冷系统来说，需要进行液位实时监测的是内冷系统的膨胀罐液位和外冷系统的喷淋水池液位，膨胀罐的液位用以保证内冷系统正常运行，喷淋水池的液位用以保证有足够的外冷却水给内冷却水降温。在分别进行液位计选型时，需要特别注意，虽然被测介质都

是冷却水，但两者的差别却非常大，具体如下：

1）冷却水电导率差别：膨胀罐内的内冷却水电导率一般低于 1μs/cm，喷淋水池内的外冷却水电导率通常大于 100μs/cm。

2）容器材质差别：膨胀罐的材质为不锈钢，属于导电材质，而喷淋水池的池壁是不导电的。

3）液位高度差别：膨胀罐的高度一般不超过2m，喷淋水池的深度一般会达到 3~4m。

4）内部压力差别：膨胀罐的一个重要作用是保证内冷系统管路压力稳定，正常工作时罐内压力一般在0.2MPa 左右，而喷淋水池内没有额外的压力。

5）外部环境差别：膨胀罐位于设备间的辅机模块，是室内环境，而喷淋水池一般位于室外。

在测量膨胀管液位时，由于膨胀罐本体导电，冷却水电导率极低视作不导电，传感器和罐体可以分别作为两个电极测量电容值变化；加上膨胀罐属于密闭容器且位于室内，不存在罐顶冷凝现象，因此进行膨胀罐电容式液位计选型时，根据罐体高度选择常规型号即可，wuxu考虑屏蔽段和接地管。

在测量喷淋水池液位时，由于池壁本体不导电，外冷却水虽然导电但粘稠度较低，如果沿用膨胀罐电容式液位计选型，缺少一个导电体作为电极与传感器配合，当液位变化时无法准确测量电容值变化。此时需要在传感器外部增加一个金属管，此金属管与传感器保持同轴状态且相互绝缘，传感器和这个金属管分别作为两个电极测量电容值变化。同时，由于喷淋水池顶部可能存在冷凝现象，因此进行喷淋水池电容式液位计选型时，除了要考虑喷淋水池高度，还应选择带屏蔽段和接地管的液位计。

以瑞士 E+H 品牌为例，其公司生产的 FMI51 系列电容式液位计具有一体化变送器，测量值反应时间短，可以在压力值高达 100bar 的环境中使用。而且更换电子插件wuxu重新标定，对于电导率大于 100μs/cm 的液体介质，测量不同液体时也不需要重新标定探头。参照其选型样本资料，可选择不同型号满足膨胀罐液位和外冷喷淋水池液位的测量需求。

3.2 电容式液位计的使用注意事项

要使用电容式液位计准确地测量膨胀罐液位或喷淋水池液位，除了正确的选型外，还应特别注意以下几点：

1）电容式液位计在运输和安装过程中，应特别注意保护传感器绝缘层，一旦绝缘层受损，将会导致测量结果不准确。

2）液位计的空罐和满罐标定很重要。空罐时将电流信号设置 4mA 电流下限值；满罐时将电流信号设置为 20mA 电流上限值。16mA 的测量范围在 0~100% 之间变化，即液位每上升 1% 对应增加 0.16mA 电流值。

3）液位计变送模块外壳应保证密封良好，防止水气侵入接线盒内部。对于喷淋水池电容式液位计，还应使用防护罩避免仪表被太阳直射。

4）对于外部电磁干扰较严重的区域，应将接线盒外壳可靠接地。

5）针对膨胀罐：电容式液位计与膨胀罐罐体之间应有良好的导电连接，应采用导电密封带；传感器安装时应与膨胀罐罐壁平行，并尽可能不要太靠近罐壁，不可触及罐壁，不可将传感器安装在进水口。

6）针对喷淋水池：应选择双电极或带接地管的液位计，或在电极周围增加一支同心圆金属管，并注意金属管上部须有排气孔，以免液面无法顺利升降；喷淋水池电容式液位计因长度较高，安装时，传感器探杆应牢固固定在池底；喷淋水池电容式液位计建议定期清洗，以免产生介质粘附影响测量结果的准确性。

4、结束语

随着特高压直流输电换流阀额定电流越来越高，阀冷系统的冷却任务越来越艰巨，液位作为阀冷系统监测的重要信息之一，必须保证其测量结果的准确性和稳定性。电容式液位计因其好特的结构和测量原理，十分适用于阀冷系统冷却水的液位测量，但由于膨胀罐和外冷喷淋水池实际工作环境的较大差异，导致其液位计从选型设计、安装调试到后续的使用维护均有较大的不同。

压力变送器

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