摘要：為進(jìn)一步提升換流閥水冷系統運行可靠性，更加準確地監測膨脹罐和外冷噴淋水池液位信息，研究電容式液位計的測量工作原理，分析膨脹罐和噴淋水池不同的應用環(huán)境，給出對應的電容式液位計選型方案以及使用過(guò)程中的注意事項。
引言
隨著(zhù)我國社會(huì )經(jīng)濟持續穩定發(fā)展，大容量遠距離輸電等技術(shù)被廣泛應用，特高壓直流輸電系統作為構成堅強電網(wǎng)骨干網(wǎng)架和進(jìn)行電力大規模遠距離傳輸的重要方式，具有線(xiàn)路造價(jià)低、運行電能損耗小、線(xiàn)路走廊窄、調節速度快、運行可靠等優(yōu)點(diǎn)，大幅提升電力輸送能力。換流閥是換流站的核心設備，正常運行時(shí)會(huì )產(chǎn)生大量的熱損耗，導致電抗器、晶閘管等器件溫度急劇上升 [1-3]。為了保護換流閥核心設備、提升直流輸電系統的運行可靠性，防止這些器件在運行過(guò)程中因持續高溫而損壞，傳統的自然散熱和強制風(fēng)冷散熱遠不能滿(mǎn)足其散熱要求，必須采取散熱效率高、可靠性高的換流閥水冷系統。
對于換流閥水冷系統而言，充足的水量是保證降溫效果的前提，也是保證閥冷系統穩定運行的關(guān)鍵。一旦出現漏水、補水泵故障或其他原因導致的閥冷系統水量不足，都將有可能直接導致閥冷系統停運，進(jìn)而導致?lián)Q流站直流閉鎖，造成更嚴重的經(jīng)濟損失。因此，實(shí)時(shí)監測閥冷系統水位信息，是保障閥冷系統安全穩定運行和提升直流輸電系統運行可靠性的重要舉措。
1 閥冷卻系統工作原理
閥冷系統由內冷系統和外冷系統組成，以水 - 水冷系統為例，其內冷系統是一個(gè)密閉的循環(huán)冷卻系統，內冷卻水將運行中的換流閥產(chǎn)生的熱量吸收；外冷系統為敞開(kāi)式循環(huán)系統，主要負責對內冷卻水進(jìn)行冷卻降溫。內冷系統分為主水回路和水處理回路，主要包括主循環(huán)泵、脫氣罐、主過(guò)濾器、補水泵、離子交換罐、氮氣瓶、膨脹罐等設備。內冷卻水通過(guò)兩臺互為備用的主循環(huán)泵驅動(dòng)，流經(jīng)換流閥本體并將其產(chǎn)生的熱量帶走；補水泵、氮氣瓶和膨脹罐用來(lái)維持內冷系統的壓力和水位穩定。外水冷系統主要包括閉式冷卻塔、噴淋泵組、軟化裝置等設備。內冷卻水經(jīng)過(guò)換流閥閥體之后溫度升高，通過(guò)主循環(huán)泵的驅動(dòng)進(jìn)入外冷系統，噴淋泵組抽取噴淋水池內的外冷卻水，噴淋在閉式冷卻塔的換熱盤(pán)管上以降低內冷卻水的溫度，內冷卻水溫度降低后再流經(jīng)換流閥進(jìn)行循環(huán)冷卻 [4-6]。閥水冷系統的工作流程如圖 1 所示。
2 電容式液位計的測量原理及分類(lèi)
電容式液位計是利用物位高低變化影響容器的電容值變化的原理來(lái)進(jìn)行測量的，可用于測量高溫、高壓、強腐蝕等介質(zhì)的液位，不受介質(zhì)的粘度、密度和工作壓力影響，具有極高的抗干擾性和可靠性。由于被測液體的介電常數和液面之上的介電常數不同，由電容值的決定式 C=εS/4πkd 可知，電容值 C 與介電常數 ε 和極板正對面積 S 成正比，與極板間的距離 d 成反比。若被測液體的介電常數更大，則當液位升高時(shí)，兩電極間總的介電常數值隨之加大，因而電容量增大；反之，當液位下降時(shí)，電容量減小。常見(jiàn)介質(zhì)的典型介電常數如下表所示。
如圖 2 所示，傳感器和容器壁（導電材質(zhì)制成）構成一個(gè)電容器，當傳感器處于空氣中時(shí)，測量到的是一個(gè)小數值的初始電容值 CA ；當容器中有物料注入時(shí)，電容值將隨傳感器被物料所覆蓋區域面積的增大而相應地增大，測量得到一個(gè)電容值 CB，電容值的變化量 dC=CB － CA ；變送器模塊將電容值變化量轉換成與液位成比例關(guān)系的信號。
容器電容值的電子計算是基于相位選擇測量原理工作的，在此過(guò)程中，測量交變電流的大小以及電壓與電流間的相位差，根據這兩個(gè)特征參數，基于介質(zhì)電容值計算無(wú)功電流，基于介謘hou榪辜撲閌導實(shí)緦鰲Ｐ枰⒁獾氖牽釁魃系牡嫉縲哉掣轎鏌約襖淠嗟庇詬郊詠櫓shou榪�，会蒂Z虜飭課蟛�，需要进袑�(xiě)釁髡掣講鉤ァ?/div>
根據不同應用場(chǎng)景，可以選擇桿式傳感器或者纜式傳感器；根據不同的安裝形式，可以選擇帶屏蔽段或者不帶屏蔽段；根據不同的容器材質(zhì)，可以選擇帶接地管和不帶接地管。
3、電容式液位計選型及使用注意事項
3.1 電容式液位計的選型
對于閥冷系統來(lái)說(shuō)，需要進(jìn)行液位實(shí)時(shí)監測的是內冷系統的膨脹罐液位和外冷系統的噴淋水池液位，膨脹罐的液位用以保證內冷系統正常運行，噴淋水池的液位用以保證有足夠的外冷卻水給內冷卻水降溫。在分別進(jìn)行液位計選型時(shí)，需要特別注意，雖然被測介質(zhì)都
是冷卻水，但兩者的差別卻非常大，具體如下：
1）冷卻水電導率差別：膨脹罐內的內冷卻水電導率一般低于 1μs/cm，噴淋水池內的外冷卻水電導率通常大于 100μs/cm。
2）容器材質(zhì)差別：膨脹罐的材質(zhì)為不銹鋼，屬于導電材質(zhì)，而噴淋水池的池壁是不導電的。
3）液位高度差別：膨脹罐的高度一般不超過(guò)2m，噴淋水池的深度一般會(huì )達到 3~4m。
4）內部壓力差別：膨脹罐的一個(gè)重要作用是保證內冷系統管路壓力穩定，正常工作時(shí)罐內壓力一般在0.2MPa 左右，而噴淋水池內沒(méi)有額外的壓力。
5）外部環(huán)境差別：膨脹罐位于設備間的輔機模塊，是室內環(huán)境，而噴淋水池一般位于室外。
在測量膨脹管液位時(shí)，由于膨脹罐本體導電，冷卻水電導率極低視作不導電，傳感器和罐體可以分別作為兩個(gè)電極測量電容值變化；加上膨脹罐屬于密閉容器且位于室內，不存在罐頂冷凝現象，因此進(jìn)行膨脹罐電容式液位計選型時(shí)，根據罐體高度選擇常規型號即可，wuxu考慮屏蔽段和接地管。
在測量噴淋水池液位時(shí)，由于池壁本體不導電，外冷卻水雖然導電但粘稠度較低，如果沿用膨脹罐電容式液位計選型，缺少一個(gè)導電體作為電極與傳感器配合，當液位變化時(shí)無(wú)法準確測量電容值變化。此時(shí)需要在傳感器外部增加一個(gè)金屬管，此金屬管與傳感器保持同軸狀態(tài)且相互絕緣，傳感器和這個(gè)金屬管分別作為兩個(gè)電極測量電容值變化。同時(shí)，由于噴淋水池頂部可能存在冷凝現象，因此進(jìn)行噴淋水池電容式液位計選型時(shí)，除了要考慮噴淋水池高度，還應選擇帶屏蔽段和接地管的液位計。
以瑞士 E+H 品牌為例，其公司生產(chǎn)的 FMI51 系列電容式液位計具有一體化變送器，測量值反應時(shí)間短，可以在壓力值高達 100bar 的環(huán)境中使用。而且更換電子插件wuxu重新標定，對于電導率大于 100μs/cm 的液體介質(zhì)，測量不同液體時(shí)也不需要重新標定探頭。參照其選型樣本資料，可選擇不同型號滿(mǎn)足膨脹罐液位和外冷噴淋水池液位的測量需求。
3.2 電容式液位計的使用注意事項
要使用電容式液位計準確地測量膨脹罐液位或噴淋水池液位，除了正確的選型外，還應特別注意以下幾點(diǎn)：
1）電容式液位計在運輸和安裝過(guò)程中，應特別注意保護傳感器絕緣層，一旦絕緣層受損，將會(huì )導致測量結果不準確。
2）液位計的空罐和滿(mǎn)罐標定很重要�？展迺r(shí)將電流信號設置 4mA 電流下限值；滿(mǎn)罐時(shí)將電流信號設置為 20mA 電流上限值。16mA 的測量范圍在 0~100% 之間變化，即液位每上升 1% 對應增加 0.16mA 電流值。
3）液位計變送模塊外殼應保證密封良好，防止水氣侵入接線(xiàn)盒內部。對于噴淋水池電容式液位計，還應使用防護罩避免儀表被太陽(yáng)直射。
4）對于外部電磁干擾較嚴重的區域，應將接線(xiàn)盒外殼可靠接地。
5）針對膨脹罐：電容式液位計與膨脹罐罐體之間應有良好的導電連接，應采用導電密封帶；傳感器安裝時(shí)應與膨脹罐罐壁平行，并盡可能不要太靠近罐壁，不可觸及罐壁，不可將傳感器安裝在進(jìn)水口。
6）針對噴淋水池：應選擇雙電極或帶接地管的液位計，或在電極周?chē)黾右恢膱A金屬管，并注意金屬管上部須有排氣孔，以免液面無(wú)法順利升降；噴淋水池電容式液位計因長(cháng)度較高，安裝時(shí)，傳感器探桿應牢固固定在池底；噴淋水池電容式液位計建議定期清洗，以免產(chǎn)生介質(zhì)粘附影響測量結果的準確性。
4、結束語(yǔ)
隨著(zhù)特高壓直流輸電換流閥額定電流越來(lái)越高，閥冷系統的冷卻任務(wù)越來(lái)越艱巨，液位作為閥冷系統監測的重要信息之一，必須保證其測量結果的準確性和穩定性。電容式液位計因其好特的結構和測量原理，十分適用于閥冷系統冷卻水的液位測量，但由于膨脹罐和外冷噴淋水池實(shí)際工作環(huán)境的較大差異，導致其液位計從選型設計、安裝調試到后續的使用維護均有較大的不同。
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