CN115560539A - 抑制均压电极泄漏电流的换流阀冷却系统水路 - Google Patents

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CN115560539A CN202211330680.4A CN202211330680A CN115560539A CN 115560539 A CN115560539 A CN 115560539A CN 202211330680 A CN202211330680 A CN 202211330680A CN 115560539 A CN115560539 A CN 115560539A
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李永立
吴华成
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Abstract

本发明提供了一种抑制均压电极泄漏电流的换流阀冷却系统水路，包括：一阳极阀段、一阴极阀段以及一冷却水管；阳极阀段与阴极阀段分别设置在冷却水管的两侧且与冷却水管相通；阳极阀段与阴极阀段中均包含若干个并联的铝散热器；从阴极阀段和阳极阀段的首末端开始的次级铝散热器两端设置有均压电极，两端的均压电极通过等电位线连接。本申请把原本连接首末端铝散热器的均压电极更改在连接次级铝散热器位置上，通过改变晶闸管组件均压电极位置可显著减少均压电极泄漏电流从而避免均压电极结垢。

Description

抑制均压电极泄漏电流的换流阀冷却系统水路
技术领域
本申请属于电力技术领域，具体地讲，涉及一种抑制均压电极泄漏电流的换流阀冷却系统水路。
背景技术
换流阀是特高压直流输电工程的核心设备，通过依次将三项交流电压连接到直流端得到期望的直流电压、实现对功率的控制。晶闸管组件是组成换流阀的基本单元，晶闸管是晶闸管组件的核心设备，在运行工作时会产生热，当温度超过晶闸管结温时晶闸管就会失效，因此需要对晶闸管进行冷却。如图1所示，以现有的晶闸管组件冷却水路为例，晶闸管组件由两个阀段串联组成，每个阀段包括13个晶闸管及相应的配件。该组件采用并联水路方式的冷却系统，每个晶闸管阴、阳极侧和铝散热器紧密接触，各铝散热器的进、出水管均与汇流水路连接，内冷水系统通过出入口汇流水管，经多个分支小水路通过铝合金散热器把晶闸管工作时产生的热量带走，达到冷却的目的。
为了防止铝散热器发生电化学腐蚀，通常在换流阀冷却系统水路中布置均压电极。均压电极是一种布置在冷却水进出口汇流水管中柱形金属件，头部为弧形端面。通过均压电极连接相邻的铝散热器，使散热器电位与汇流管相应位置电位一致，避免散热器中产生泄漏电流对散热器的表面造成电化学腐蚀，实现对内冷水系统的运行保护，安装位置见图1。然而近些年来冷却水路系统故障频发，造成了巨大的经济损失。经检查后发现，换流阀内冷水系统中的均压电极结垢是导致以上故障产生的主要原因之一。研究结果表明，结垢产物来源于换流阀冷却系统铝制散热器腐蚀，结垢物成分主要为羟基铝石，造成这种垢样的成因是碱性条件下正电势均压电极形成的电场力吸引负电离子Al(OH)4 -在电极表面发生反应形成的，而正电势产生原因为均压电极对地泄漏电流形成的，因此控制泄漏电流的产生将有效避免均压电极结垢。
发明内容
本申请提供了一种抑制均压电极泄漏电流的换流阀冷却系统水路，以至少解决当前的换流阀冷却水路系统因均压电极结构而导致的故障频发问题。
根据本本申请，提供了一种抑制均压电极泄漏电流的换流阀冷却系统水路，包括：
一阳极阀段、一阴极阀段以及一冷却水管；
阳极阀段与阴极阀段分别设置在冷却水管的两侧且与冷却水管相通；
阳极阀段与阴极阀段中均包含若干个并联的铝散热器；
从阴极阀段和阳极阀段的首末端开始的次级铝散热器两端设置有均压电极，两端的均压电极通过等电位线连接。
在一实施例中，阳极阀段包括若干个并联的铝散热器，在铝散热器之间设置有晶闸管。
在一实施例中，阴极阀段包括若干个并联的铝散热器，在铝散热器之间设置有晶闸管。
在一实施例中，在冷却水管的两侧分别延申出两条汇流管，分别为进水汇流管和出水汇流管。
在一实施例中，进水汇流管与铝散热器的进水分支管路相连。
在一实施例中，出水汇流管与铝散热器的出水分支管路相连。
在一实施例中，阴极阀段和阳极阀段中分别包含有14个铝散热器。
在一实施例中，两个阀段以共阴极及共阳极的导通方式形成了6脉电流换流器。
在一实施例中，每个相位晶闸管均压电极在一个2π周期遵循相同的电位变化规律。
在一实施例中，6脉电流换流器由基本单元晶闸管串并联构成。
本申请通过改变晶闸管组件均压电极位置可显著减少均压电极泄漏电流从而避免均压电极结垢，相比于现有技术，能够完全避免交流电源空载时对地泄漏电流；完全避免晶闸管组件阀段1和阀段2交汇处，因一处阀段导通时对另一处阀段形成的对地泄漏电流；完全避免a、b、c三相晶闸管一相导通时对其他两相阴极侧和阳极侧形成的对地泄漏电流。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为现有的内冷水阀组件示意图。
图2为本申请提供的更改均压电极位置后内冷水阀组件示意图。
图3为原一个2π周期阀段切换及均压电极泄漏电流示意图。
图4为原相位角0～1π/3A、B相交流电源主导的泄漏电路示意图。
图5为原a相晶闸管组件一个2π周期空载时泄漏电路图。
图6为本申请更改后一个2π周期阀段切换及均压电极泄漏电流示意图。
图7为本申请更改后相位角0～1π/3A、B相交流电源主导的泄漏电路示意图。
图8为四重阀塔中电阻R0、R1及接地说明示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
目前存在的晶闸管组件的冷却方式中有西门子的并联水路、ABB的串联水路、还是Areva串并联水路等，均压电极都是连接在阳极阀段和阴极阀段首末端的散热器上，如图1所示。
然而，根据12脉直路电流换流器原理，相当于两个6脉电流换流器相位差1/6π相位角串联组成的，6脉电流换流器由基本单元晶闸管组件串并联构成，晶闸管组件的两个阀段(如图1所示)以共阴极及共阳极的导通方式形成了6脉电流换流器，因为整流变压器中性点接地及均压电极通过水路连接接地端(如图8所示)，使两个接地点之间形成了电流导通回路，所以形成了均压电极和大地之间的电流泄漏。因此根据六脉电流换流器原理及晶闸管组件冷却水流程示意图1，本申请提供了一个2π周期的阀段间电流导通切换及均压电极泄漏电流的等效电路示意图3，图3中a、b、c代表不同相位的晶闸管组件；Фa、Фa1、-Фa、-Фa1，Фb、Фb1、-Фb、-Фb1，Фc、Фc1、-Фc、-Фc1，为A、B、C三相交流电源在阳极阀段1形成的均压电极电位及阴极阀段2形成的均压电极电位。
均压电极形成的电位和铝散热器高度一致。从等效电路图3可以看出，在阀段一个2π周期切换过程中，因a、b、c三相晶闸管组件首末铝散热器交汇处串联的影响，所以晶闸管组件阳极侧及阴极侧都和导通的阀段形成一样的电位，相连的均压电极都存在泄漏电流；晶闸管组件中阀段1阳极侧铝散热器和阀段2阴极侧铝散热器交汇处也存在串联的影响，所以阀段1和阀段2这两个铝散热器都会形成等电位，当一个铝散热器通电时另一个铝散热器连接的均压电极也会有泄漏电流。如下表1是在一个2π周期内根据等效电路图8对各均压电极电位的统计。
表1一个2π周期a、b、c三相晶闸管组件均压电极电位
Figure BDA0003913129920000041
由表1统计可知，每个相位晶闸管组件均压电极在一个2π周期遵循一样的电位变化规律，以a相晶闸管为例阀段1阴极侧均压电极电位为Фa1、Фb1、Фc1，持续时段各为2π/3；阀段1阳极侧电位Фa的持续时段为π，-Фa的持续时段为π；阀段2阴极侧电位电位为Фa的持续时段为π，-Фa的持续时段为π；阀段2阳极侧电位为为-Фa1、-Фb1、-Фc1，持续时段各为2π/3。
1、0～1π/3时段A相正极交流电源主导的泄漏电流：
b、c相阀段1阴极侧泄漏电流：
Figure BDA0003913129920000051
a相阀段1阴极侧泄漏电流(电解电流)：
Figure BDA0003913129920000052
a相阀段1阳极侧泄漏电流：
Figure BDA0003913129920000053
a相阀段2阴极侧泄漏电流：
Figure BDA0003913129920000054
2、0～1π/3时段B相负极交流电源主导的泄漏电流：
a、c相阀段2阳极侧泄漏电流：
Figure BDA0003913129920000055
b相阀段2阳极侧泄漏电流(电解电流)：
Figure BDA0003913129920000056
b相阀段2阴极侧泄漏电流：
Figure BDA0003913129920000057
b相阀段1阳极侧泄漏电流：
Figure BDA0003913129920000058
3、一个2π周期晶闸管组件不同电位均压电极泄漏电流大小分析
由等效电路图3、4及①、②分析可知，在一个2π周期内，除了在2π/3导通角内，阀段1阴极侧及阀段2阳极侧均压电极形成的泄漏电流为电解电流，其他A、B、C三相交流交流电源主导的泄漏电流都是对大地泄漏的。正极交流电源主导的泄漏电流由均压电极到大地的方向，形成泄漏电流的均压电极是正电势；负极负极交流电源主导的泄漏电流是由大地到均压电极的方向，形成泄漏泄漏电流的均压电极是负电势；每组交流电源有2π/3时段空载期，其中1π/3时段是在阴阳阀段之间形成均压电极电位为正，另一1π/3时段形成的电位为负。因为结垢离子Al(OH)4 -的负电属性特点，作为正电位属性的均压电极才会对Al(OH)4 -产生作用，所以本文只统计正极属性均压电极的泄漏电流泄。以a相晶闸管组件为例，设π为时间参数
阀段1阴极侧泄漏电流I1：
Figure BDA0003913129920000059
式中(1)Q1为一个2π周期内阀段1阴极侧均压电极泄漏电量。
Figure BDA0003913129920000061
阀段1阳极侧均压电极对地泄漏电流I11、电解电流I12：
Figure BDA0003913129920000062
式中(3)Q11为一个2π周期内阀段1阳极侧均压电极对地泄漏电量，斜体Фa为A相交流电源空载时(2π/3～π)在a相晶闸管组件阀段1阳极侧形成的电位(见图5)。
Figure BDA0003913129920000063
式中(4)Q12为一个2π周期内阀段1阳极侧均压电极电解泄漏电量
Figure BDA0003913129920000064
Figure BDA0003913129920000065
阀段2阴极侧泄漏电流I2
Figure BDA0003913129920000066
式中(7)Q2为一个2π周期内阀段2阴极侧均压电极泄漏电量，斜体Фa为a相交流电源空载时(2π/3～π)在a相晶闸管组件阀段2阴极侧形成的电位(见图5)。
Figure BDA0003913129920000067
阀段2阳极侧泄漏电流I22
Figure BDA0003913129920000068
式中(9)Q22为一个2π周期内阀段2阳极侧均压电极泄漏电量。
Figure BDA0003913129920000069
④均压电极电位和泄漏电流大小比较
电位大小对比：Фa、Фb、Фc为交流电源有效值，在同一循环导通角是相等的，同理Фa1、Фb1、Фc1也是相等的。Фa>Фa1，因晶闸管压降很小，导通时一个阀段压降一般在25V左右(Фa-Фa1)，所以可认为Фa≈Фa1；Фa是以0～2π/3计算的有效值电位，Фa是以(2π/3)～π计算的电位，所以Фa>Фa。水电阻大小对比：见图8，R1是不变的，R0大小和离接地电极距离呈正相关。
泄漏电流大小对比：
Figure BDA0003913129920000071
式中(12)R1为阀段首末均压电极之间的水电阻，R0为汇流水管出入口和接地之间的水电阻。由阀塔设计可知R1<R0，代入上式，大于0；所以阀段1阴极侧泄漏电流大于阳极侧泄漏电流。同理因I2＝I11+I12，所以I1＞I2。
Figure BDA0003913129920000072
设式中(12)以一个500KV换流站作为参考，Фa是以0～2π/3计算的有效值电位，Фa是以(2π/3)～π计算的有效值电压，所以Фa+Фa>500KV,可见阀段2的阳极侧均压电极的泄漏电流远大于阴极侧形成的电解电流。
由上文计算可知：在一个2π周期对地方向的泄漏电流中，晶闸管组件阀段1阴极侧均压电极泄漏电量最大，其次是阀段2阴极侧和阀段1阳极侧均压电极；阀段1阳极侧均压电极(包括电解电流)和阀段2形成的泄漏电流是相等的，阀段2阳极侧均压电极形成的是电解电流且远小于其他对地方向泄漏电流；在一个2π/3转换角内对地泄漏电流最大的是阀段2阴极侧均压电极。正电位均压电极受铝散热器脉动电动势影响，形成相对大地的正电势及脉动电场，场强变化和六脉电流波动相一致。在均压电极所形成的电场中，负电离子(Al(OH)4 -)受脉动电场力影响向均压电极移动并在电极上形成电力沉积反应。阀段1阳极侧形成的泄漏电流和阀段2阴极侧泄漏电流是一样的，但结垢却小于阀段2阴极侧，这是因为在2π/3导通角内阀段1阳极侧形成的泄流电流有直流分量的电解电流，电解电流会产生氧气(4OH--4e-＝2H2O+O2)，形成的氧气泡阻止了拜耳法的结垢，阀段1阳极侧结垢主要是交流电源空载期形成的(见图5)，但泄漏电流的时间只有阀段2阴极侧的1/3，所以垢量较小。阀段2阳极侧均压电极形成较弱的电场，且电解产生氧气，不会形成结垢。阀段2阳极侧均压电极形成较弱的电场，且电解产生氧气，不会形成结垢，但一些直流换流站都发现阀段2阳极侧有结垢现象，但小于阴极侧，这是因为变电站会根据季节的原因进行切换的，以整流变为主运行的电站会在一定时期切换逆流变站运行(同理逆流换流站也是如此)，所以造成阀段2阳极侧结垢现象。
均压电极结垢的原因是正极交流电源主导的泄漏电流形成的，负极交流电源主导的泄漏电流不能形成结垢。电解电流不产生结垢且会抑制结垢。在一段时间内结垢量大小取决于均压电极的泄漏电流大小及所形成的电场强度，也就是说泄漏电流最大的均压电极形成脉动电场会对Al(OH)4 -做更多的功，形成的垢量更大，这也说明了在实际工程中整流换流站均压电极阴极结垢高而逆流换流站均压电极阳极高的原因。
因此，本申请提供了一种抑制均压电极泄漏电流的换流阀冷却系统水路，如图2所示，包括：
一阳极阀段、一阴极阀段以及一冷却水管；
阳极阀段与阴极阀段分别设置在冷却水管的两侧且与冷却水管相通；
阳极阀段与阴极阀段中均包含若干个并联的铝散热器；
从阴极阀段和阳极阀段的首末端开始的次级铝散热器两端设置有均压电极，两端的均压电极通过等电位线连接。
阳极阀段包括若干个并联的铝散热器，在铝散热器之间设置有晶闸管。
阴极阀段包括若干个并联的铝散热器，在铝散热器之间设置有晶闸管。
在冷却水管的两侧分别延申出两条汇流管，分别为进水汇流管和出水汇流管。
进水汇流管与铝散热器的进水分支管路相连。
出水汇流管与铝散热器的出水分支管路相连。
阴极阀段和阳极阀段中分别包含有14个铝散热器。
两个阀段以共阴极及共阳极的导通方式形成了6脉电流换流器。
每个相位晶闸管均压电极在一个2π周期遵循相同的电位变化规律。
在一实施例中，6脉电流换流器由基本单元晶闸管串并联构成。
具体地，根据12脉直路电流换流器原理，相当于两个6脉电流换流器相位差1/6π相位角串联组成的，6脉电流换流器由基本单元晶闸管组件串并联构成，晶闸管组件的两个阀段(如图2所示)以共阴极及共阳极的导通方式形成了6脉电流换流器，因为整流变压器中性点接地及均压电极通过水路连接接地电极原因(如图8所示)，使两个接地点之间形成了电流导通回路，所以形成了均压电极和大地之间的电流泄漏。因此根据六脉电流换流器原理及晶闸管组件冷却水流程示意图2，本文制作了一个2π周期的阀段间电流导通切换及均压电极泄漏电流的等效电路示意图6，图中a、b、c代表不同相位的晶闸管组件；Фa、Фa1、-Фa、-Фa1，Фb、Фb1、-Фb、-Фb1，Фc、Фc1、-Фc、-Фc1，为A、B、C三相交流电源在阳极阀段1形成的均压电极电位及阴极阀段2形成的均压电极电位。
表2更改后一个2π周期a、b、c三相晶闸管组件均压电极电位
Figure BDA0003913129920000091
由表2统计可知，每个相位晶闸管组件均压电极在一个2π周期遵循一样的电位变化规律，以a相晶闸管为例阀段1阴极侧均压电极电位为Фa1，持续时段为2π/3；阀段1阳极侧电位Фa的持续时段为2π/3；阀段2阴极侧电位电位为-Фa的持续时段为2π/3；阀段2阳极侧电位为-Фa1，持续时段为2π/3。本文根据0～1π/3均压电极泄漏示意图制作图6、7对泄漏电流大小示意分析。
1、0～1π/3时段A相正极交流电源主导的泄漏电流：
b、c相阀段1阴极侧泄漏电流：0
a相阀段1阴极侧泄漏电流(电解电流)：
Figure BDA0003913129920000101
a相阀段1阳极侧泄漏电流：
Figure BDA0003913129920000102
a相阀段2阴极侧泄漏电流：0
a相阀段2阳极侧泄漏电流：0
2、0～1π/3时段B相负极交流电源主导的泄漏电流：
a、c相阀段2阳极侧泄漏电流：0
b相阀段2阳极侧泄漏电流(电解电流)：
Figure BDA0003913129920000103
b相阀段2阴极侧泄漏电流：
Figure BDA0003913129920000104
b相阀段1阳极侧泄漏电流：0
b相阀段1阴极侧泄漏电流：0
3、一个2π周期晶闸管组件不同电位均压电极泄漏电流大小分析
由等效电路图6、7及①、②分析可知，在一个2π周期内，只有在2π/3导通角内存在泄漏电流，阀段1阴极侧及阀段2阳极侧均压电极形成的泄漏电流为电解电流，阀段1阳极侧形成对地的泄漏电流及对阀段1阴极侧均压电极的电解电流。阀段2阴极侧均压电极形成负向对地的泄漏电流及负向对阀段2阳极侧均压电极的电解电流。正极交流电源主导的泄漏电流由均压电极到大地的方向，形成泄漏电流的均压电极是正电位；负极交流电源主导的泄漏电流是由大地到均压电极的方向，形成泄漏电流的均压电极是负电位；每组交流电源在2π/3时段空载期不在形成泄漏电流。因为结垢离子Al(OH)4 -的负电属性特点，作为正电位属性的均压电极才会对Al(OH)4 -产生作用，所以本文只统计正电位属性均压电极的泄漏和电解电流中高电位属性的均压电极泄漏。以a相晶闸管组件为例，设π为时间参数
阀段1阳极侧均压电极对地泄漏电流I11、电解电流I12：
Figure BDA0003913129920000105
式中(1)Q11为一个2π周期内阀段1阳极侧均压电极对地泄漏电量。
Figure BDA0003913129920000111
式中(4)Q12为一个2π周期内阀段1阳极侧均压电极电解泄漏电量
Figure BDA0003913129920000112
Figure BDA0003913129920000113
阀段2阳极侧泄漏电流I22
Figure BDA0003913129920000114
式中(9)Q22为一个2π周期内阀段2阳极侧均压电极泄漏电量。
Figure BDA0003913129920000115
6.3实施方式一和实施方式二对比分析
由上面实施方式二计算可知，除了阀段1阳极侧有对地方向的泄漏电流外，其他是电解电流。且阀段1阳极侧包含了直流分量的电解电流，由实施方式一分析可知在电解电流下是无法形成结垢的，所以经过改进晶闸管组件完全克服了均压电极结垢问题。
由表2的电位统计极实施方式二分析可知经过改进均压电极位置的晶闸管组件，完全避免了交流电源空载时电流泄漏；完全避免了因a、b、c三相晶闸管组件首末铝散热器通过铜导线相连而造成的一相晶闸管组件导通其他两相漏电问题；完全避免晶闸管组件阀段1和阀段2交汇处，因一处阀段导通时对另一处阀段形成的泄漏电流。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。以上所述仅为本说明书实施例的实施例而已，并不用于限制本说明书实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书实施例可以有各种更改和变化。凡在本说明书实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书实施例的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种抑制均压电极泄漏电流的换流阀冷却系统水路，其特征在于，包括：
一阳极阀段、一阴极阀段以及一冷却水管；
所述阳极阀段与所述阴极阀段分别设置在所述冷却水管的两侧且与所述冷却水管相通；
所述阳极阀段与所述阴极阀段中均包含若干个并联的铝散热器；
从所述阴极阀段和所述阳极阀段的首末端开始的次级铝散热器两端设置有均压电极，两端的均压电极通过等电位线连接。
2.根据权利要求1所述的抑制均压电极泄漏电流的换流阀冷却系统水路，其特征在于，所述阳极阀段包括若干个并联的铝散热器，在所述铝散热器之间设置有晶闸管。
3.根据权利要求2所述的抑制均压电极泄漏电流的换流阀冷却系统水路，其特征在于，所述阴极阀段包括若干个并联的铝散热器，在所述铝散热器之间设置有晶闸管。
4.根据权利要求3所述的抑制均压电极泄漏电流的换流阀冷却系统水路，其特征在于，在所述冷却水管的两侧分别延申出两条汇流管，分别为进水汇流管和出水汇流管。
5.根据权利要求4所述的抑制均压电极泄漏电流的换流阀冷却系统水路，其特征在于，所述进水汇流管与所述铝散热器的进水分支管路相连。
6.根据权利要求5所述的抑制均压电极泄漏电流的换流阀冷却系统水路，其特征在于，所述出水汇流管与所述铝散热器的出水分支管路相连。
7.根据权利要求6所述的抑制均压电极泄漏电流的换流阀冷却系统水路，其特征在于，所述阴极阀段和所述阳极阀段中分别包含有14个铝散热器。
8.根据权利要求7所述的抑制均压电极泄漏电流的换流阀冷却系统水路，其特征在于，两个阀段以共阴极及共阳极的导通方式形成了6脉电流换流器。
9.根据权利要求8所述的抑制均压电极泄漏电流的换流阀冷却系统水路，其特征在于，每个相位晶闸管均压电极在一个2π周期遵循相同的电位变化规律。
10.根据权利要求9所述的抑制均压电极泄漏电流的换流阀冷却系统水路，其特征在于，所述6脉电流换流器由基本单元晶闸管串并联构成。
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