CN111979443A - 一种高压直流输电系统均压电极 - Google Patents

一种高压直流输电系统均压电极 Download PDF

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Abstract

本发明涉及高压直流输电领域，公开了一种高压直流输电系统均压电极，所述均压电极采用钯和/或铑和/或钌和/或铈合金材料中的至少两种材料制作而成。本发明采用钯铑钌铈合金作为均压电极探针材料，合适配比组分的钯铑钌铈合金即使在高电压、高流速、高温度场环境里，仍可以有效的减缓水电解反应，进而调控均压电极探针表面的局域pH，以达到减缓均压电极结垢的目的。

Description

一种高压直流输电系统均压电极
技术领域
本发明涉及高压直流输电领域，具体而言，涉及一种高压直流输电系统均压电极。
背景技术
高压直流输电系统阀冷系统的均压电极探针，目前主要采用纯铂金材质。均压电极工作于高电压、高流速、高温度场等苛刻环境的内冷水中。铂金虽具有自身化学稳定性高、电化学稳定性窗口宽等技术优势，但是铂金均压电极在使用过程中，已暴露出不少困扰直流输电生产的难题，具体表现为：均压电极结垢，结垢物堵塞水管，水冷系统失控，生产预警启动；均压电极探针沉积结垢物后，与水的接触电阻增加，致使均压电极平衡阀段两端内冷水电势的工作能力减弱。上述现象进入非良性循环，这经常引起高压直流输电生产紧急停运。
铂均压电极结垢的主要原因如下：铂表面析氢析氧反应的过电位低，如析氢过电位接近0V，所以均压电极探针处于高电压的低电导率内冷水中，探针表面易发生水电解反应，水电解反应将改变均压电极探针表面的局域pH。均压电极探针表面的局域空间因OH-高，痕量的Al3+与OH-的浓度积仍可以超过Al(OH)3溶度积，致使Al(OH)3形成和沉积。所以低过电位的探针材质是导致均压电极探针结垢的直接原因。
发明内容
针对现有技术中上述的不足，本发明的第一个目的在于提供一种高压直流输电系统均压电极，其能够有效降低均压电极+表面的水电解反应，限制氢氧化铝结垢物在探针表面成核和生长，以达到减缓均压电极结垢的目的。
为了达到上述目的，本发明采用的解决方案是：
一种高压直流输电系统均压电极，所述均压电极采用钯和/或铑和/或钌和/或铈合金材料中的至少两种材料制作而成。
进一步地，所述均压电极材质采用钯铑钌铈四元合金，或钯铑铈三元合金，或钯钌铈三元合金，或铑钌铈三元合金，或钯铑钌三元合金，或钯铑二元合金，或钯钌二元合金，或铑钌二元合金，或钯铈二元合金，或铑铈二元合金，或钌铈二元合金材料制作而成。
一种高压直流输电系统均压电极的制备方法，采用高温熔炼法和合金电镀法。
本发明的有益效果是：
本发明采用钯铑钌铈合金作为均压电极探针材料，合适配比组分的钯铑钌铈合金具有适宜的析氢析氧过电位。因钯、铑、钌、铈具有不同的晶格结构和晶格参数，一定组分下相互组合成固溶体时，可控形成合金内晶界面的长度，从而多金属原子相互协同调控电子转移速度，增大析氢析氧的过电位，具有适宜析氢析氧过电位的钯铑钌铈合金可以有效的减缓水电解反应，从而维持探针表面局域的低OH-浓度。低OH-浓度可以使局域的Al3 +与OH-的浓度积远低于Al(OH)3溶度积，从而达到减小Al(OH)3生成和沉积，以达到减缓均压电极结垢的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例1-3提供的均压电极的X射线衍射图谱。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例提供的一种高压直流输电系统均压电极进行具体说明。
一种高压直流输电系统均压电极，所述均压电极采用钯和/或铑和/或钌和/或铈合金材料中的至少两种材料制作而成。
进一步地，所述均压电极材质采用钯铑钌铈四元合金，或钯铑铈三元合金，或钯钌铈三元合金，或铑钌铈三元合金，或钯铑钌三元合金，或钯铑二元合金，或钯钌二元合金，或钯铈二元合金，或铑钌二元合金，或铑铈二元合金，或钌铈二元合金材料制作而成。
本发明，采用钯铑钌铈合金作为均压电极材料，优选的作为均压电极的探针的材料，并配以合适配比组分的钯铑钌铈合金，在低电导率内冷水中具有较高的合适的析氢析氧过电位，这可以有效的减缓均压电极的探针表面发生水电解反应，从而维持探针表面局域的低OH-浓度。低OH-浓度可以使局域的Al3 +与OH-的浓度积远低于Al(OH)3溶度积，从而达到减小Al(OH)3生成和沉积，以减缓均压电极结垢。
具体地，钯铑钌铈合金是固溶体，其中钯、铑、铈为面心立方晶格结构，钌为密排六方晶格结构；其四元合金或三元合金或二元合金均为面心立方结构。即使在高电压环境里，合金固溶体表面也能够维持稳定的单质状态，具有极强的抗氧化能力、良好的化学和电化学稳定性。钯铑钌铈合金内不同金属间形成异质结晶界面，这晶界面的长度和数量会调整电子的转移速度，而电子的转移速度，是合金表面析氢过程或者析氧过程的速度控制步骤，其大小就是析氢或者析氧的电化学反应速度；电化学反应速度的外在表现就是析氢析氧过程的过电位和反应电流，所以慢的电子转移速度，可增大析氢析氧的过电位，降低析氢析氧过程的电流。
而钯、铑、钌、铈具有不同的晶格结构和晶格参数，一定组分下相互组合成固溶体时，可控形成合金内晶界面的长度，从而多金属原子相互协同调控电子转移速度。在高电压、强对流的苛刻环境下，具有较高的适宜析氢析氧过电位的钯铑钌铈合金可以有效的减缓水电解反应，进而调控均压电极的探针表面的局域pH，以达到减缓均压电极结垢的目的。
作为其中一类实施方案，所述均压电极为采用钯铑钌铈四元合金材料，按质量百分比计，包括以下组分：钯49.9-97.9％、铑1-25％、钌1-25％、铈0.01-0.1％。
作为其中一类实施方案，所述均压电极为采用钯铑铈三元合金材料，按质量百分比计，包括以下组分：钯49.9-97.9％、铑2-50％、铈0.01-0.1％。
作为其中一类实施方案，所述均压电极为采用钯钌铈三元合金材料，按质量百分比计，包括以下组分：钯49.9-97.9％、钌2-50％、铈0.01-0.1％。
作为其中一类实施方案，所述均压电极为采用铑钌铈三元合金材料，按质量百分比计，包括以下组分：铑39.9-59.9％、钌40-60％、铈0.01-0.1％。
作为其中一类实施方案，所述均压电极为采用钯铑钌三元合金，按质量百分比计，包括以下组分：钯50-98％、铑1-25％、钌1-25％。
作为其中一类实施方案，所述均压电极为采用钯铑二元合金，按质量百分比计，包括以下组分：钯50-98％、铑2-50％。
作为其中一类实施方案，所述均压电极为采用钯钌二元合金，按质量百分比计，包括以下组分：钯50-98％、钌2-50％。
作为其中一类实施方案，所述均压电极为采用钯铈二元合金，按质量百分比计，包括以下组分：钯99.9-99.99％、铈0.01-0.1％。
作为其中一类实施方案，所述均压电极为采用铑钌二元合金，按质量百分比计，包括以下组分：铑40-60％、钌40-60％。
作为其中一类实施方案，所述均压电极为采用铑铈二元合金，按质量百分比计，包括以下组分：铑99.9-99.99％、铈0.01-0.1％。
作为其中一类实施方案，所述均压电极为采用钌铈二元合金，按质量百分比计，包括以下组分：钌99.9-99.99％、铈0.01-0.1％。
一种高压直流输电系统均压电极的制备方法，采用高温熔炼法和合金电镀法。
实施例1
一种高压直流输电系统均压电极，采用钯铑钌铈四元合金材料，按质量百分比计，包括以下组分：钯49.9％、铑25％、钌25％、铈0.1％。
实施例2
一种高压直流输电系统均压电极，采用钯铑钌铈四元合金材料，按质量百分比计，包括以下组分：钯97.9％、铑1％、钌1％、铈0.1％。
实施例3
一种高压直流输电系统均压电极，采用钯铑钌铈四元合金材料，按质量百分比计，包括以下组分：钯74.9％、铑20％、钌5％、铈0.1％。
实施例4
一种高压直流输电系统均压电极，采用钯铑铈三元合金材料，按质量百分比计，包括以下组分：钯97.9％、铑2％、铈0.1％。
实施例5
一种高压直流输电系统均压电极，采用钯铑铈三元合金材料，按质量百分比计，包括以下组分：钯49.9％、铑50％、铈0.1％。
实施例6
一种高压直流输电系统均压电极，采用钯铑铈三元合金材料，按质量百分比计，包括以下组分：钯79.9％、铑20％、铈0.1％。
实施例7
一种高压直流输电系统均压电极，采用钯钌铈三元合金材料，按质量百分比计，包括以下组分：钯49.9％、钌50％、铈0.1％。
实施例8
一种高压直流输电系统均压电极，采用钯钌铈三元合金材料，按质量百分比计，包括以下组分：钯97.9％、钌2％、铈0.1％。
实施例9
一种高压直流输电系统均压电极，采用钯钌铈三元合金材料，按质量百分比计，包括以下组分：钯74.9％、钌25％、铈0.1％。
实施例10
一种高压直流输电系统均压电极，采用铑钌铈三元合金材料，按质量百分比计，包括以下组分：铑39.9％、钌60％、铈0.1％。
实施例11
一种高压直流输电系统均压电极，采用铑钌铈三元合金材料，按质量百分比计，包括以下组分：铑59.9％、钌40％、铈0.1％。
实施例12
一种高压直流输电系统均压电极，采用铑钌铈三元合金材料，按质量百分比计，包括以下组分：铑54.9％、钌45％、铈0.1％。
实施例13
一种高压直流输电系统均压电极，采用钯铑钌三元合金，按质量百分比计，包括以下组分：钯50％、铑25％、钌25％。
实施例14
一种高压直流输电系统均压电极，采用钯铑钌三元合金，按质量百分比计，包括以下组分：钯98％、铑1％、钌1％。
实施例15
一种高压直流输电系统均压电极，采用钯铑钌三元合金，按质量百分比计，包括以下组分：钯75％、铑20％、钌5％。
实施例16
一种高压直流输电系统均压电极，采用钯铑二元合金，按质量百分比计，包括以下组分：钯98％、铑2％。
实施例17
一种高压直流输电系统均压电极，采用钯铑二元合金，按质量百分比计，包括以下组分：钯50％、铑50％。
实施例18
一种高压直流输电系统均压电极，采用钯铑二元合金，按质量百分比计，包括以下组分：钯80％、铑20％。
实施例19
一种高压直流输电系统均压电极，采用钯钌二元合金，按质量百分比计，包括以下组分：钯50％、钌50％。
实施例20
一种高压直流输电系统均压电极，采用钯钌二元合金，按质量百分比计，包括以下组分：钯98％、钌2％。
实施例21
一种高压直流输电系统均压电极，采用钯钌二元合金，按质量百分比计，包括以下组分：钯75％、钌25％。
实施例22
一种高压直流输电系统均压电极，采用钯铈二元合金，按质量百分比计，包括以下组分：钯99.9％、铈0.1％。
实施例23
一种高压直流输电系统均压电极，采用钯铈二元合金，按质量百分比计，包括以下组分：钯99.99％、铈0.01％。
实施例24
一种高压直流输电系统均压电极，采用钯铈二元合金，按质量百分比计，包括以下组分：钯99.95％、铈0.05％。
实施例25
一种高压直流输电系统均压电极，采用铑钌二元合金，按质量百分比计，包括以下组分：铑40％、钌60％。
实施例26
一种高压直流输电系统均压电极，采用铑钌二元合金，按质量百分比计，包括以下组分：铑60％、钌40％。
实施例27
一种高压直流输电系统均压电极，采用铑钌二元合金，按质量百分比计，包括以下组分：铑55％、钌45％。
实施例28
一种高压直流输电系统均压电极，采用铑铈二元合金，按质量百分比计，包括以下组分：铑99.9％、铈0.1％。
实施例29
一种高压直流输电系统均压电极，采用铑铈二元合金，按质量百分比计，包括以下组分：铑99.99％、铈0.01％。
实施例30
一种高压直流输电系统均压电极，采用铑铈二元合金，按质量百分比计，包括以下组分：铑99.95％、铈0.05％。
实施例31
一种高压直流输电系统均压电极，采用钌铈二元合金，按质量百分比计，包括以下组分：钌99.9％、铈0.1％。
实施例32
一种高压直流输电系统均压电极，采用钌铈二元合金，按质量百分比计，包括以下组分：钌99.99％、铈0.01％。
实施例33
一种高压直流输电系统均压电极，采用钌铈二元合金，按质量百分比计，包括以下组分：钌99.95％、铈0.05％。
实验例1
将上述实施例1、2、3、6、9、12、15、18、21、24、27、30、33的均压电极作为实验例1-13，并分别对实验例1-13的均压电极在高电压、高流速、高温度场环境的内冷水中测试其结垢情况。
1.首先对实验例1-3的均压电极通过X射线衍射进行表征，结果见图1；
钯、铑、铈为面心立方晶格结构，钌为密排六方晶格结构；
从图1中可以看出：实验例1-3的钯铑钌铈四元合金：Pd0.979Rh0.01Ru0.01Ce0.001、Pd0.949Rh0.2Ru0.05Ce0.001、Pd0.499Rh0.25Ru0.25Ce0.001的X射线衍射图谱中，(111)、(200)、(220)、(311)等特征峰，表明钯铑钌铈四元合金仍维持面心立方结构；这主要是钌含量低，未能影响合金的立方晶格。
2.对实验例1-13的均压电极在高电压(15kv)、高流速(10m/s)、高温度场(60℃)环境的内冷水中测试其结垢情况：
取实验例提供的均压电极，完全置于高电压、高流速、高温度场环境的内冷水中，观察其表面结垢情况：
表1实验例1-13的均压电极的结垢情况测试
Figure BDA0002640595370000111
Figure BDA0002640595370000121
通过上表可知：本发明采用钯铑钌铈合金作为均压电极探针材料，合适配比组分的钯铑钌铈合金即使经过60天长时间的在高电压、高流速、高温度场环境里，仍可以有效的减缓水电解反应，进而调控均压电极探针表面的局域pH，以达到减缓均压电极结垢的目的。
综上所述，因钯、铑、钌、铈具有不同的晶格结构和晶格参数，一定组分下相互组合成固溶体时，可控形成合金内晶界面的长度，从而多金属原子相互协同调控电子转移速度，增大析氢析氧的过电位，具有适宜析氢析氧过电位的钯铑钌铈合金可以有效的减缓水电解反应，从而维持探针表面局域的低OH-浓度。低OH-浓度可以使局域的Al3 +与OH-的浓度积远低于Al(OH)3溶度积，从而达到减小Al(OH)3生成和沉积，以达到减缓均压电极结垢的目的。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高压直流输电系统均压电极，其特征在于，所述均压电极采用钯和/或铑和/或钌和/或铈合金材料中的至少两种材料制作而成。
2.根据权利要求1所述的高压直流输电系统均压电极，其特征在于，所述均压电极材质采用钯铑钌铈四元合金，或钯铑铈三元合金，或钯钌铈三元合金，或铑钌铈三元合金，或钯铑钌三元合金，或钯铑二元合金，或钯钌二元合金，或铑钌二元合金，或钯铈二元合金，或铑铈二元合金，或钌铈二元合金材料制作而成。
3.根据权利要求1或2所述的高压直流输电系统均压电极，其特征在于，所述均压电极为采用钯铑钌铈四元合金材料，按质量百分比计，包括以下组分：钯49.9-97.9％、铑1-25％、钌1-25％、铈0.01-0.1％。
4.根据权利要求1或2所述的高压直流输电系统均压电极，其特征在于，所述均压电极为采用钯铑铈三元合金材料，按质量百分比计，包括以下组分：钯49.9-97.9％、铑2-50％、铈0.01-0.1％。
5.根据权利要求1或2所述的高压直流输电系统均压电极，其特征在于，所述均压电极为采用钯钌铈三元合金材料，按质量百分比计，包括以下组分：钯49.9-97.9％、钌2-50％、铈0.01-0.1％。
6.根据权利要求1或2所述的高压直流输电系统均压电极，其特征在于，所述均压电极为采用铑钌铈三元合金材料，按质量百分比计，包括以下组分：铑39.9-59.9％、钌40-60％、铈0.01-0.1％。
7.根据权利要求1或2所述的高压直流输电系统均压电极，其特征在于，所述均压电极为采用钯铑钌三元合金，按质量百分比计，包括以下组分：钯50-98％、铑1-25％、钌1-25％。
8.根据权利要求1或2所述的高压直流输电系统均压电极，其特征在于，所述均压电极为采用钯铑二元合金，按质量百分比计，包括以下组分：钯50-98％、铑2-50％。
9.根据权利要求1或2所述的高压直流输电系统均压电极，其特征在于，所述均压电极为采用钯钌二元合金，按质量百分比计，包括以下组分：钯50-98％、钌2-50％。
10.根据权利要求1或2所述的高压直流输电系统均压电极，其特征在于，所述均压电极为采用铑钌二元合金，按质量百分比计，包括以下组分：铑40-60％、钌40-60％。
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