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摘要：為進(jìn)一步提升換流閥水冷系統(tǒng)運行可靠性，更加準(zhǔn)確地監(jiān)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(yīng)用環(huán)境，給出對應(yīng)的電容式液位計選型方案以及使用過程中的注意事項。

引言

隨著我國社會經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，大容量遠(yuǎn)距離輸電等技術(shù)被廣泛應(yīng)用，特高壓直流輸電系統(tǒng)作為構(gòu)成堅強電網(wǎng)骨干網(wǎng)架和進(jìn)行電力大規(guī)模遠(yuǎn)距離傳輸?shù)闹匾绞剑哂芯€路造價低、運行電能損耗小、線路走廊窄、調(diào)節(jié)速度快、運行可靠等優(yōu)點，大幅提升電力輸送能力。換流閥是換流站的核心設(shè)備，正常運行時會產(chǎn)生大量的熱損耗，導(dǎo)致電抗器、晶閘管等器件溫度急劇上升 [1-3]。為了保護(hù)換流閥核心設(shè)備、提升直流輸電系統(tǒng)的運行可靠性，防止這些器件在運行過程中因持續(xù)高溫而損壞，傳統(tǒng)的自然散熱和強制風(fēng)冷散熱遠(yuǎn)不能滿足其散熱要求，必須采取散熱效率高、可靠性高的換流閥水冷系統(tǒng)。

對于換流閥水冷系統(tǒng)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(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。一旦出現(xiàn)漏水、補水泵故障或其他原因?qū)е碌拈y冷系統(tǒng)水量不足，都將有可能直接導(dǎo)致閥冷系統(tǒng)停運，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)Q流站直流閉鎖，造成更嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。因此，實時監(jiān)測閥冷系統(tǒng)水位信息，是保障閥冷系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行和提升直流輸電系統(tǒng)運行可靠性的重要舉措。

1 閥冷卻系統(tǒng)工作原理

閥冷系統(tǒng)由內(nèi)冷系統(tǒng)和外冷系統(tǒng)組成，以水 - 水冷系統(tǒng)為例，其內(nèi)冷系統(tǒng)是一個密閉的循環(huán)冷卻系統(tǒng)，內(nèi)冷卻水將運行中的換流閥產(chǎn)生的熱量吸收；外冷系統(tǒng)為敞開式循環(huán)系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)對內(nèi)冷卻水進(jìn)行冷卻降溫。內(nèi)冷系統(tǒng)分為主水回路和水處理回路，主要包括主循環(huán)泵、脫氣罐、主過濾器、補水泵、離子交換罐、氮氣瓶、膨脹罐等設(shè)備。內(nèi)冷卻水通過兩臺互為備用的主循環(huán)泵驅(qū)動，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維持內(nèi)冷系統(tǒng)的壓力和水位穩(wěn)定。外水冷系統(tǒng)主要包括閉式冷卻塔、噴淋泵組、軟化裝置等設(shè)備。內(nèi)冷卻水經(jīng)過換流閥閥體之后溫度升高，通過主循環(huán)泵的驅(qū)動進(jìn)入外冷系統(tǒng)，噴淋泵組抽取噴淋水池內(nèi)的外冷卻水，噴淋在閉式冷卻塔的換熱盤管上以降低內(nèi)冷卻水的溫度，內(nèi)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(tǒng)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

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(shù)和液面之上的介電常數(shù)不同，由電容值的決定式 C=εS/4πkd 可知，電容值 C 與介電常數(shù) 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(shù)更大，則當(dāng)液位升高時，兩電極間總的介電常數(shù)值隨之加大，因而電容量增大；反之，當(dāng)液位下降時，電容量減小。常見介質(zhì)的典型介電常數(shù)如下表所示。

如圖 2 所示，傳感器和容器壁（導(dǎo)電材質(zhì)制成）構(gòu)成一個電容器，當(dāng)傳感器處于空氣中時，測量到的是一個小數(shù)值的初始電容值 CA ；當(dāng)容器中有物料注入時，電容值將隨傳感器被物料所覆蓋區(qū)域面積的增大而相應(yīng)地增大，測量得到一個電容值 CB，電容值的變化量 dC=CB － CA ；變送器模塊將電容值變化量轉(zhuǎn)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(jù)這兩個特征參數(shù)，基于介質(zhì)電容值計算無功電流，基于介謘hou榪辜撲閌導(dǎo)實緦鰲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榪梗岬賈虜飭課蟛睿枰寫釁髡掣講鉤ァ?/div>

根據(jù)不同應(yīng)用場景，可以選擇桿式傳感器或者纜式傳感器；根據(jù)不同的安裝形式，可以選擇帶屏蔽段或者不帶屏蔽段；根據(jù)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(tǒng)來說，需要進(jìn)行液位實時監(jiān)測的是內(nèi)冷系統(tǒng)的膨脹罐液位和外冷系統(tǒng)的噴淋水池液位，膨脹罐的液位用以保證內(nèi)冷系統(tǒng)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(nèi)冷卻水降溫。在分別進(jìn)行液位計選型時，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(dǎo)率差別：膨脹罐內(nèi)的內(nèi)冷卻水電導(dǎo)率一般低于 1μs/cm，噴淋水池內(nèi)的外冷卻水電導(dǎo)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(dǎo)電材質(zhì)，而噴淋水池的池壁是不導(dǎo)電的。

3）液位高度差別：膨脹罐的高度一般不超過2m，噴淋水池的深度一般會達(dá)到 3~4m。

4）內(nèi)部壓力差別：膨脹罐的一個重要作用是保證內(nèi)冷系統(tǒng)管路壓力穩(wěn)定，正常工作時罐內(nèi)壓力一般在0.2MPa 左右，而噴淋水池內(nèi)沒有額外的壓力。

5）外部環(huán)境差別：膨脹罐位于設(shè)備間的輔機模塊，是室內(nèi)環(huán)境，而噴淋水池一般位于室外。

在測量膨脹管液位時，由于膨脹罐本體導(dǎo)電，冷卻水電導(dǎo)率極低視作不導(dǎo)電，傳感器和罐體可以分別作為兩個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(nèi)，不存在罐頂冷凝現(xiàn)象，因此進(jìn)行膨脹罐電容式液位計選型時，根據(jù)罐體高度選擇常規(guī)型號即可，wuxu考慮屏蔽段和接地管。

在測量噴淋水池液位時，由于池壁本體不導(dǎo)電，外冷卻水雖然導(dǎo)電但粘稠度較低，如果沿用膨脹罐電容式液位計選型，缺少一個導(dǎo)電體作為電極與傳感器配合，當(dāng)液位變化時無法準(zhǔn)確測量電容值變化。此時需要在傳感器外部增加一個金屬管，此金屬管與傳感器保持同軸狀態(tài)且相互絕緣，傳感器和這個金屬管分別作為兩個電極測量電容值變化。同時，由于噴淋水池頂部可能存在冷凝現(xiàn)象，因此進(jìn)行噴淋水池電容式液位計選型時，除了要考慮噴淋水池高度，還應(yīng)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(yīng)時間短，可以在壓力值高達(dá) 100bar 的環(huán)境中使用。而且更換電子插件wuxu重新標(biāo)定，對于電導(dǎo)率大于 100μs/cm 的液體介質(zhì)，測量不同液體時也不需要重新標(biāo)定探頭。參照其選型樣本資料，可選擇不同型號滿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(zhǔn)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(yīng)特別注意以下幾點：

1）電容式液位計在運輸和安裝過程中，應(yīng)特別注意保護(hù)傳感器絕緣層，一旦絕緣層受損，將會導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確。

2）液位計的空罐和滿罐標(biāo)定很重要。空罐時將電流信號設(shè)置 4mA 電流下限值；滿罐時將電流信號設(shè)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(yīng)增加 0.16mA 電流值。

3）液位計變送模塊外殼應(yīng)保證密封良好，防止水氣侵入接線盒內(nèi)部。對于噴淋水池電容式液位計，還應(yīng)使用防護(hù)罩避免儀表被太陽直射。

4）對于外部電磁干擾較嚴(yán)重的區(qū)域，應(yīng)將接線盒外殼可靠接地。

5）針對膨脹罐：電容式液位計與膨脹罐罐體之間應(yīng)有良好的導(dǎo)電連接，應(yīng)采用導(dǎo)電密封帶；傳感器安裝時應(yīng)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(yīng)選擇雙電極或帶接地管的液位計，或在電極周圍增加一支同心圓金屬管，并注意金屬管上部須有排氣孔，以免液面無法順利升降；噴淋水池電容式液位計因長度較高，安裝時，傳感器探桿應(yīng)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(jié)果的準(zhǔn)確性。

4、結(jié)束語

隨著特高壓直流輸電換流閥額定電流越來越高，閥冷系統(tǒng)的冷卻任務(wù)越來越艱巨，液位作為閥冷系統(tǒng)監(jiān)測的重要信息之一，必須保證其測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。電容式液位計因其好特的結(jié)構(gòu)和測量原理，十分適用于閥冷系統(tǒng)冷卻水的液位測量，但由于膨脹罐和外冷噴淋水池實際工作環(huán)境的較大差異，導(dǎo)致其液位計從選型設(shè)計、安裝調(diào)試到后續(xù)的使用維護(hù)均有較大的不同。