换流阀散热器腐蚀研究

FILENAME李（新）中国科技论文在线统一投稿格式要求.docPAGE8-换流阀散热器腐蚀研究摘要：本研究为解决换流阀散热器腐蚀问题，以阀塔层间水路模型为研究对象，建立等效电路模型，借用Multisim软件对电路中各支路漏电流进行计算。研究了水电极不同等电位方式以及水电极不同位置布置下的水电极和散热器支路漏电流。结果表明：水电极与邻近模组等电位，散热器支路的漏电流会大幅减小；缩短水电极与水接头之间的距离可以减少散热器支路的漏电流，水电极与水接头同截面布置效果达到最优，优化后的散热器支路漏电流最大为0.00745μA，30年后散热器腐蚀最大为0.0007g。在散热器进出口镶嵌不锈钢电极可以代替散热器的腐蚀，从而彻底解决散热器腐蚀问题。关键词：换流阀；散热器腐蚀；水电极；漏电电流ThestudyonradiatorcorrosionofconvertervalveAbstract：Inordertosolvetheproblemofradiatorcorrosioninconvertervalve,theinterlayercanalagemodelandequivalentcircuitofvalvetowerwasstudiedinthispaper.Multisimsoftwarewasusedtocalculatetheleakagecurrentincircuit.Duringtheprocessofsimulation,leakagecurrentofwaterelectrodeandradiatorwerecalculatedwhenchangethewayofequipotentialandthedistancebetweenthewaterelectrodeandwaterswivel.Theresultsshowthatleakagecurrentofradiatordecreasessharplywhenequipotentialthewaterelectrodeandadjacentmodules.Besides,shortenthedistanceofwaterelectrodeandwaterswivelalsocandecreasetheleakagecurrentofradiatorsharply.whenthewaterelectrodeandwaterswivelweresetonthesamesection,theleakagecurrentofradiatorcanachievetheminimumis0.00745μAandthecorrosionvolumeofradiatoris0.0007gafter30years.Finally,attheimportandexportofradiatorinsetedstainlesssteelelectrodecansolvetheproblemofradiatorcorrosionthoroughly.Keywords：HVDCconvertervalve;radiatorcorrosion;waterelectrode;leakagecurrent引言换流阀塔是换流阀系统的关键设备，其内部冷却管路在换流阀塔内起着给散热器散热的作用[1-3]。换流阀塔内部水冷管道由PVDF管道和FEP管组成，各管道之间存在电位差，冷却水具有一定的电导率，换流阀冷却水的电导率维持在0.1-0.5μS/cm，因此冷却水会存在一定的漏电电流，漏电电流会导致散热器的腐蚀以及电极的结垢[4-5]。在换流阀塔冷却管路内设置水电极的主要作用：1、吸附水中的离子及树脂杂质；2、释放水中的漏电电流，减小进入散热器的漏电电流；3、钳制水中的电位，水管中的电位均匀变化[6-7]。Jackson[3]等人对长期运行后（10年）的换流阀水电极进行拆卸，拆卸过程中发现水电极存在严重的结垢现象，垢的主要成分为铝散热器腐蚀的铝氧化物。Wang[8-9]等人对国内部分换流站换流阀水电极结垢情况进行了现场调研，结合仿真分析发现：泄漏电流越大，电极结垢越严重；对于同一电极上的结垢情况，电流密度越大，结垢越厚；对垢进行元素物质分析，发现垢的主要成分为铝氧化物，为散热器腐蚀产物。换流阀塔散热器进出口有电位差，存在一定的漏电流，漏电流会对散热器进出口进行腐蚀。散热器的腐蚀优先从刚与水接触的螺纹处开始腐蚀，螺纹被腐蚀了，散热器就会存在漏水现象，对换流阀是个重大的安全隐患。中外学者对水电极结垢研究的较多，却对如何降低水电极结垢，降低散热器腐蚀等问题研究较少。本研究为解决换流阀塔模组散热器电化学腐蚀问题，首先以阀塔层间水路为研究对象，将水路物理模型等效为电路形式，借用Multisim软件对电路中支路漏电流进行计算。通过调整水电极等电位方式、水电极的布置位置等仿真水路各支路的漏电流；其次，对散热器的腐蚀进行了计算研究；最后，通过合理的散热器结构设计以达到降低散热器腐蚀的效果。腐蚀机理1.1Faraday电解第一定律金属在电解质溶液中会发生电化学腐蚀，其电化学腐蚀量满足Faraday电解第一定律[10]，即：（1）式中，W为金属在t时间内的腐蚀量，单位为g；M为金属原子量；Q为t时间内流过金属的电量，单位为C；F为Faraday常数，值为96485C/mol；n为氧化过程中金属失去的价电子数；k为金属的电化当量，单位为g/C，其中，Al的电化当量为0.09313mg/C，Fe的电化当量为0.2893mg/C；I为漏电电流，单位为A；t为时间，单位为s。从公式(1)中可以看出，电化当量k为常数，时间t一定，漏电流I越大，金属腐蚀程度越厉害。漏电流I为金属腐蚀程度的一个衡量指标，金属腐蚀的研究主要是对漏电流I的研究。1.2电极腐蚀机理1.2.1不锈钢电极不锈钢电极在电解质溶液中会因漏电流而发生分解。其中，不锈钢电极中最易发生电化学分解的为Fe，且Fe含量最多（占比70%以上）。不锈钢电极表面发生化学反应如下：阳极:阴极：1.2.2铝电极同样的，铝电极在电解质溶液中也会因漏电流而发生分解，其电化学反应如下：阳极:阴极：1.2.3铂电极Pt为惰性电极，其本身不参与电化学反应，但漏电流下会电解水反应：阳极:阴极：换流阀水路建模及漏电流计算2.1散热器水路的等效电阻模型图1（a）为南瑞继保公司某工程换流阀塔，换流阀电压等级为±90kV，容量为20MW,单套换流阀6个桥臂，每个桥臂1个阀塔，每个阀塔123个模组（其中，11个冗余，3个空缺），单个桥臂最大承受180kV电压，因此，可以计算每个模组承受电压为180/112=1.61kV。阀塔结构布置为背靠背结构，分为3层结构，每层6个阀段组成。阀段结构如图1（b）所示。单个阀段设有7个模组，模组用铜排串联连接，单个模组电压为1.61kV（如图1（b），单个模组左铜排和右铜排相差1.61kV电压）。第一个模组的左铜排搭接在阀段左框架上，最后一个模组的右铜排搭接在阀段右框架上，阀段上配有水路供模组散热器散热。图1换流阀塔（a）、阀段（b）Fig.1HVDCconvertervalvetower(a),unitofvalvetower(b).以换流阀层间水路为研究对象，建立下图2水路模型。水路模型由PVDF水管（一根）、水电极（2个，设置在水管两端）、水接头（7个PVDF水管上，7个在散热器上，散热器上的不做研究）、FEP管（7根）以及散热器（7个）组成。其中PVDF水管两端的水电极分别于两端框架等电位，散热器与对应模组左铜排等电位。图2水路物理模型Fig.2Physicalmodelofcanalage.把水电极与邻近水接头、PVDF水管上邻近两个水接头以及FEP管（连接PVDF水管和散热器）内的水看做一段段小电阻，研究各段水路的漏电流，水路中各段电阻的计算如下[6]：（2）式中，R为水的电阻，单位为Ω；ρ为水的电阻率；为水的电导率，单位为μS/cm；A为水管的内横截面面积，单位为cm2；l为水管的长度，单位为cm。换流阀运行时水的电导率始终保持在0.1-0.5μS/cm，按照最严酷的环境考虑，取水的电导率为0.5μS/cm，由公式（2）计算各段水路电阻如下表1所示。表1水路参数Tab.1Parametersofcanalage.水管长度/cm水管内管半径/cm电阻/Ω水电极与水接头之间51.761.03*106相邻水接头之间321.766.58*106水接头与散热器之间57.30.42.28*108模组分为进铜排和出铜排，进出铜排相差电位为1.61kV，而模组散热器与进铜排等电位，阀段最左边模组进铜排与最左边阀段框架等电位，阀段最右边模组出铜排与最右边阀段框架等电位，下表2中1-9分别代表左边水电极、7个散热器（从左至右）以及右边水电极的电位，电位分布如下表2所示。表2水电极及散热器对应电位Tab.3Potentialofwaterelectrodeandradiator.123456789电位/kV001.613.224.836.448.059.6611.272.2等效电路及漏电流计算利用Multisim电路仿真软件建立电路模型如图3所示，图3是图2水路物理模型的一个等效电路图。图3中，R0和R7分别代表两端水电极与邻近水接头的水路电阻，R0=R7。R1-R6为PVDF水管上相邻两个水接头之间的水路电阻，阻值相等。R8-R14为FEP管的水路电阻，阻值相等。V1和V8为两端水电极的电位，V2-V7为散热器电位，具体电位如上表2所示。将散热器电位等效成电源的形式，模组散热器的电位按照最大值考虑（实际运行时，模组散热器的电位是随IGBT特性不断变化的），考量模组散热器一直承受最大电位下漏电流以及散热器腐蚀情况，进而通过优化措施降低对散热器的腐蚀，将所有散热器的对地电位等效成电源形式便于电路计算。图3等效电路Fig.3Equivalentcircuit.给图3中的等效电路各元件赋值后，在各支路添加探针即可计算出等效电路中各支路漏电电流，如图4所示。从图4中可以看出，水电极处（R0和R7处）的漏电流最大为286μA，散热器支路（R8-R14处）的最大漏电流为5.78μA。图4漏电流仿真Fig.4Simulationofleakagecurrent.电极优化及散热器腐蚀计算3.1等电位方式对漏电电流的影响改变等电位方式研究各支路漏电流变化，两边水电极与两边框架等电位改为与邻近模组等电位，V1=V2，V8-V9，计算各支路的漏电流如下图5所示。从图5中可以看出，水电极处的漏电流最大为231μA，散热器支路的最大漏电流为1.04μA。从仿真结果可以看出，水电极支路的最大漏电流由286μA（图4）降低为231μA（图5），散热器支路的最大漏电流由5.78μA（图4）降低到1.04μA（图5），散热器支路的漏电流得到了大幅降低。图5漏电流仿真（改变等电位方式）Fig.5Simulationofleakagecurrentwhenchangethewayofequipotential.3.2水电极与水接头的距离对漏电电流的影响（1）水电极与水接头距离由50mm改为10mm在3.1优化方式一的基础上进一步调整水电极和水接头之间的距离，将距离由50mm改为10mm，计算各支路的漏电流如下图6所示。从图6中可以看出，水电极处的漏电流最大为242μA，散热器支路的最大漏电流为0.218μA。从仿真结果可以看出，水电极支路的最大漏电流由231μA（图5）增长为242μA（图6），水电极支路的漏电流增大，增长幅度较小，散热器支路的最大漏电流由1.04μA（图5）降低到0.218μA（图6），散热器支路的漏电流进一步得到了大幅降低。图6漏电流仿真（水电极与水接头之间的距离为10mm）Fig.6Simulationofleakagecurrentwhenchangethedistance(10mm)betweenthewaterelectrodeandwaterswivel.（2）水电极与水接头距离为0.1mm进一步调整水电极和水接头之间的距离，由10mm调整为0.1mm，即水电极与水接头同截面布置，计算各支路的漏电流如图7所示。从图7中可以看出，水电极处的漏电流最大为245μA，散热器支路的最大漏电流为0.00745μA。从仿真结果可以看出，散热器支路的漏电流降低幅度较大，漏电流减少，散热器的腐蚀程度也会大幅降低。图7漏电流计算（水电极与水接头之间的距离为0.1mm）Fig.7Simulationofleakagecurrentwhenchangethedistance(0.1mm)betweenthewaterelectrodeandwaterswivel.3.3电极及散热器腐蚀计算（1）水电极腐蚀计算水电极采用不锈钢电极表面镀铂，不锈钢电极表面完全由铂覆盖。由表1，铂电极为惰性电极，本身不参与反应，电极不存在腐蚀，漏电流的大小对水电极腐蚀不产生不影响。（2）散热器腐蚀计算及结构优化根据公式（1）可以计算出图4，5，6，7情况下，30年后散热器最大腐蚀量如下表3所示：表3散热器最大漏电流及30年散热器腐蚀量Tab.3Themaximumleakagecurrentofradiatorandcorrosionvolumeofradiatorafter30years.水电极设置散热器最大漏电流/μA30年散热器腐蚀量/g水电极与框架等电位，水电极与水接头距离50mm5.780.51水电极与邻近模组等电位，水电极与水接头距离50mm1.040.092水电极与邻近模组等电位，水电极与水接头距离10mm0.2180.019水电极与邻近模组等电位，水电极与水接头距离0.1mm0.007450.0007由表3可以看出，优化后的水电极布置，散热器的腐蚀程度得到大幅的降低，由0.51g降低到0.0007g，相当于体积从200mm3降低到0.26mm3。从而可知，通过改变水电极等电位方式以及调节水电极与水接头之间的距离可以大幅改善铝散热器的腐蚀。尽管优化后的水电极布置对散热器的腐蚀程度较轻，可以看做忽略。为了更好的保护散热器不被腐蚀，本研究也对散热器做了特殊的设计，如下图8所示。在散热器进出口位置镶嵌不锈钢电极，用来代替铝散热器的腐蚀，不锈钢电极的质量为20.7g，漏电流为0.00745μA，根据公式（1），不锈钢电极可供腐蚀10120年，远远满足使用要求。图8散热器电极示意图Fig.8Schematicdiagramofradiatorelectrode.结论本研究为解决换流阀领域散热器腐蚀问题，以换流阀塔层间水路为研究对象，将水路物理模型等效为电路图形式，借用Multisim软件对电路中各支路漏电流进行计算，通过调整水电极的布置、等电位方式以及散热器镶嵌不锈钢电极来控制降低散热器的腐蚀，相关结论如下：（1）水电极等电位方式对散热器腐蚀影响较大，将水电极的等电位方式由两端框架改为邻近模组，散热器支路的漏电流会大幅降低，散热器的腐蚀量也会大幅降低。（2）水电极与水接头之间的距离对散热器的腐蚀影响较大，减少水电极与水接头之间的距离可以大幅降低散热器支路的漏电流，减少散热器的腐蚀，其中，水电极与水接头同截面布置时，散热器的腐蚀程度最小。（3）采用散热器进出口镶嵌不锈钢电极可以代替散热器的腐蚀，从而达到保护散热器的效果。[参考文献](References)[1]LIPSHP.WatercoolingofHVDCthyristorvalve[J].IEEETransactiononPowerDelivery,1994,9(4):1830-1837.[2]袁清云.特高压直流输电技术现状及在我国的应用前景[J].电网技术，2005,29(14):1-3.YuanQingyun.PresentstandandapplicationprospectofultraHVDCtransmissioninchina[J].PowerSystemTechnology,2005,29(14):1-3.[3]JacksonPO,AbrahamssomB,GustavssonD,etal.CorrosioninHVDCvalvecoolingsystems[J].IEEETransactionsonPowerDelivery,1997,12(2):170-173.[4]丁德，左坤，谷永刚，等.吴经锋换流阀均压电极结垢分析及其去除方法[J].清洗世界，2016,30(6):15-19.DingDe,ZuoKun,GuYonggang,etal.Analysisofequalizingelectrodedepositinconvertervalveandit’sremovalmethods[J].CleaningWorld,2016,30(6):15-19.[5]王远游，郝志杰，林睿.天广直流工程换流阀冷却系统腐蚀与沉积[J].高电压技术，2006,32(9):80-83.WangYuanyou,HaoZhijie,LinRui.PrimaryAnalysisonCorrosionandDepositinValveCoolingSystemofTianGuangHVDCProject[J].HighVoltageEngineering,2006,32(9):80-83.[6]Investgationsongradingelectrodes[R].Powert