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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für einen Konverter einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage mit einer Kühlleitung, die von einer Kühlflüssigkeit durchströmt ist, wobei die Kühlleitung zumindest teilweise aus einem Metall gebildet ist.
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Bei der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) erfolgt die Energieübertragung über weite Entfernungen mit hoher Gleichspannung. Die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlagen weisen üblicherweise einen Konverter auf, der auch als Stromrichter bezeichnet werden kann. Dieser Konverter umfasst üblicherweise mehrere Leistungsbauelemente, wie beispielsweise Thyristoren oder IGBTs, mit denen die Wechselspannung in eine Gleichspannung gerichtet werden kann oder umgekehrt. Die Leistungsbauelemente werden üblicherweise auf hohen und unterschiedlichen Potentialen gegenüber dem Erdpotential betrieben. Zum Abführen der Verlustwärme der Leistungsbauelemente wird üblicherweise eine Kühlvorrichtung verwendet, die von einer Kühlflüssigkeit durchströmt wird.
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Um Überschläge zwischen den Teilen des Kühlmittelkreislaufs und zwischen dem Kühlmittelkreislauf und den angrenzenden Komponenten zu verhindern, sind in dem Kühlkreislauf entsprechende Steuerelektroden eingebracht. Diese Steuerelektroden prägen der Kühlflüssigkeit in der Kühlvorrichtung das elektrische Potential der unmittelbaren Umgebung auf. Da es auch unabhängig von äußerlich aufgeprägten Potentialgradienten stets zu einer Korrosion von den mit der Kühlflüssigkeit umspülten metallischen Bauteilen kommt, enthält die Kühlflüssigkeit stets gelöste Bestandteile, die wiederum zur Abscheidung von Belägen auf den Kühlleitungen und den Steuerelektroden führen können. Diese Beläge neigen schließlich dazu, sich in Form von Partikeln abzulösen und Engstellen des Kühlkreislaufs, wie beispielsweise die Kühlkanäle einzelner Thyristorkühlkörper, zu verstopfen.
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Bisher werden die Steuerelektroden in regelmäßigen Abständen ausgebaut und von ihren Belägen bzw. Ablagerungen gereinigt. Alternativ dazu werden die Steuerelektroden komplett ersetzt. Darüber hinaus sind innerhalb der Kühlvorrichtung entsprechende Filter an geeigneten Stellen im Wasserkreislauf eingebaut, um ausgeschwemmte Partikel abzufangen. Diese Reinigungsmaßnahmen erfordern die sehr kostenintensive Außerbetriebnahme der Konverteranlage.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kühlvorrichtung für einen Konverter einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage bereitzustellen, der zuverlässiger betrieben werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Kühlvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung für einen Konverter einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage umfasst eine Kühlleitung, die von einer Kühlflüssigkeit durchströmt ist, wobei die Kühlleitung zumindest teilweise aus einem Metall gebildet ist. Darüber hinaus ist in der Kühlflüssigkeit zumindest eine organische Substanz vorgesehen.
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Die Kühlvorrichtung dient zum Kühlen eines Konverters einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage. Der Konverter, der auch als Stromrichter bezeichnet werden kann, umfasst üblicherweise eine Mehrzahl von Leistungsbauelementen, wie beispielsweise Thyristoren. Mit der Kühlvorrichtung kann die im Betrieb der Thyristoren erzeugte Verlustwärme abgeführt werden. Die Kühlvorrichtung umfasst zumindest eine Kühlleitung, die mit einer Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser, durchströmt ist. In der Kühlflüssigkeit bzw. in dem Wasser ist zudem eine organische Substanz, insbesondere ein organisches Polymer, enthalten. Dabei kann die Konzentration des organischen Polymers in der Kühlflüssigkeit bzw. in dem Kühlwasser entsprechend an die Gegebenheiten der Kühlvorrichtung angepasst sein. Zudem kann das organische Polymer beispielsweise in Abhängigkeit des Materials der Kühlleitung gewählt werden.
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In einer Ausgestaltung ist das zumindest eine organische Polymer ein Copolymer. Copolymere sind Polymere, die aus mehreren verschiedenartigen Monomereinheiten zusammengesetzt sein können. Somit kann die Zusammensetzung der Copolymere beliebig an die Betriebsbedingungen der Kühlvorrichtung angepasst werden.
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Bevorzugt ist das zumindest eine organische Polymer als Dispergiermittel ausgebildet und/oder dazu ausgebildet sich an einer Innenwand der Kühlleitung zumindest bereichsweise anzulagern. Das organische Polymer kann einerseits als Dispergator in der Kühlflüssigkeit verwendet werden. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass sich Verbindungen, die in Folge der Korrosion der Kühlleitung entstehen und die in der Kühlflüssigkeit vorliegen, miteinander verbinden bzw. agglomerieren. Andererseits kann das organische Polymer dazu ausgebildet sein, sich an einer Innenwand der Kühlleitung, die mit der Kühlflüssigkeit in Berührung steht, anzulagern. Auf diese Weise kann eine Schutzschicht gebildet werden, die verhindert, dass die Kühlleitung, die in bestimmten Bereichen aus Metall gebildet ist, korrodiert. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das organische Polymer als Dispergator ausgebildet und ist zudem dazu ausgebildet, dass es sich an der Innenwand der Kühlleitung anlagert. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass sich Ablagerungen in der Kühlvorrichtung bilden.
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Bevorzugt ist das zumindest eine organische Polymer dazu ausgebildet, sich an zumindest einer Verbindung anzulagern, die in der Kühlflüssigkeit in Folge von Korrosion der Kühlleitung enthalten ist. In Folge der Wasserströmung wird die Kühlleitung korrodiert. Hierbei können sich beispielsweise entsprechende Metallverbindungen bilden, die in der Kühlflüssigkeit bzw. im Kühlwasser vorliegen. Die Organik ist nun dazu ausgebildet, sich an der Oberfläche dieser Verbindungen bzw. Kolloide anzulagern. Somit kann verhindert werden, dass sich die Verbindungen agglomerieren und somit gegebenenfalls die Kühlleitung verstopfen können.
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In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Kühlvorrichtung eine Steuerelektrode zur Beeinflussung des elektrischen Potentials in der Kühlflüssigkeit und das zumindest eine organische Substanz ist dazu ausgebildet, sich an einer Oberfläche der Steuerelektrode anzulagern. Dabei kann die Kühlvorrichtung auch mehrere Steuerelektroden umfassen, die mit einem Bereich in die Kühlflüssigkeit ragen und die mit dem anderen Teil auf einem fest definierten elektrischen Potential liegen. Die Steuerelektrode kann beispielsweise aus einem Metall, insbesondere Platin, gebildet sein. Das zumindest ein organische Substanz ist nun dazu ausgebildet, sich an der Oberfläche der Steuerelektrode anzulagern. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass sich Ablagerungen an der Steuerelektrode bilden, die sich in Form von Partikeln ablösen können und Engstellen des Kühlkreislaufs verstopfen können.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die zumindest eine organische Substanz derart ausgebildet, dass es abstoßende Kräfte durch elektrostatische, sterische und/oder elektrosterische Mechanismen bewirkt. In einem elektrostatischen Mechanismus erfolgt hierbei eine Abstoßung durch unterschiedliche elektrische Ladungen. Bei einem sterischen Mechanismus kann eine chemische Reaktion oder eine Bindung durch die räumliche Ausdehnung eines Moleküls geändert werden. Bei einem elektrosterischen Mechanismus erfolgt eine abstoßende Wirkung einerseits durch unterschiedliche Ladungen und andererseits durch die räumliche Ausdehnung durch die jeweiligen Moleküle.
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Bevorzugt umfasst die Kühlvorrichtung eine Sensoreinrichtung zum Erfassen einer Konzentration des zumindest einen organischen Polymers in der Kühlflüssigkeit. Der Sensor kann beispielsweise als chemischer Sensor oder als optischer Sensor ausgebildet sein. Auf diese Weise kann die Konzentration des zumindest einen organischen Polymers in der Kühlflüssigkeit zuverlässig überwacht werden.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Kühlvorrichtung eine Dosiereinrichtung zum Einbringen des zumindest einen organischen Polymers in die Kühlflüssigkeit auf. Die Dosiereinrichtung kann mit der Kühlleitung der Kühlvorrichtung fluidisch verbunden sein. So kann beispielsweise die Kühlvorrichtung bzw. die Kühlleitung zunächst mit Kühlwasser befüllt werden und anschließend die zumindest eine organische Substanz in die Kühlflüssigkeit eingebracht werden.
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In einer Ausgestaltung ist die Dosiereinrichtung dazu ausgebildet, jeweils eine vorbestimmte Menge der zumindest einen organischen Substanz zu bestimmten Zeitpunkten in die Kühlflüssigkeit einzubringen. Die Dosiereinrichtung kann so ausgebildet sein, dass sie kontinuierlich ein vorbestimmtes Volumen der zumindest einen organischen Substanz in die Kühlflüssigkeit einbringt. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die organische Substanz eine ausreichende Konzentration innerhalb der Kühlflüssigkeit aufweist.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Dosiereinrichtung dazu ausgebildet, die zumindest eine organische Substanz in die Kühlflüssigkeit in Abhängigkeit von der mit der Sensoreinrichtung erfassten Konzentration einzubringen. Somit kann ein Regelkreis bereitgestellt werden, mit dem die Konzentration der zumindest einen organischen Substanz in dem Kühlkreislauf konstant gehalten werden kann.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Kühlvorrichtung für eine Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage; und
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2 eine Detailansicht einer Kühlleitung der Kühlvorrichtung, mit der die Wirkung eines organischen Polymers in einer Kühlflüssigkeit verdeutlicht wird.
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Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
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1 zeigt eine Kühlvorrichtung 10 die zum Kühlen eines Konverters für eine Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage dient. Die Kühlvorrichtung 10 umfasst eine Kühlleitung 12, die vorliegend mehrere Abschnitte umfasst. Die Kühlleitung ist zumindest bereichsweise aus einem Metall gebildet. Beispielsweise kann die Kühlleitung 12 aus einem Edelstahl bzw. VA-Stahl gebildet sein. Teile der Kühlleitung 12 können aus PVDF gebildet sein. In der Kühlleitung 12 befindet sich eine Kühlflüssigkeit, insbesondere Wasser. Die Kühlleitung 12 ist von der Kühlflüssigkeit durchströmt. Zu diesem Zweck umfasst die Kühlvorrichtung 10 eine Pumpe 14, mit der die Kühlflüssigkeit gefördert werden kann.
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Die Kühlvorrichtung 10 dient zum Kühlen der Leistungsbauelemente des Konverters, die beispielsweise als Thyristoren ausgebildet sein können. Zu diesem Zweck wird über einen ersten Leitungsabschnitt 16 Kühlflüssigkeit zu einer mit den Thyristoren verbundenen Kühleinrichtung befördert. Diese Kühleinrichtung kann beispielsweise aus Aluminium gebildet sein. Über einen Leitungsabschnitt 18 wird das erwärmte Kühlwasser abgeführt. Die erwärmte Kühlflüssigkeit wird einem Kühler 20 zugeführt, mittels welchem das erwärmte Kühlwasser wiederum gekühlt werden kann.
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Die Leistungsbauelemente des Konverters werden üblicherweise auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen betrieben. Dadurch entsteht ein Potentialunterschied über die Kühlvorrichtung 10 bzw. Bereiche der Kühlleitung 12. Dadurch befinden sich stets kolloide Bestandteile im Kühlkreislauf, die sich auf den Innenwänden der Kühlleitung 12 ablagern können. Im Kühlkreislauf können entsprechende Steuerelektroden (nicht gezeigt) verwendet werden, die zumindest teilweise in den Kühlflüssigkeitsstrom eingebracht sind. Die Steuerelektroden sind mit einem vorbestimmten elektrischen Potential verbunden. Auf diese Weise können Potentialunterschiede in dem Kühlmittelkreislauf ausgeglichen werden.
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Die in Folge der Korrosion gebildeten Verbindungen können sich ebenso an der Oberfläche der Steuerelektroden ablagern. Diese Ablagerung, die sich auf den Steuerelektroden und der Kühlleitung 12 ablagern, können entsprechende Beläge ausbilden, die nach einer bestimmten Zeit dazu neigen, sich in Form von Partikeln abzulösen. Dies kann zur Folge haben, dass Engstellen des Kühlkreislaufs, wie beispielsweise die Kühlleitungen einzelner Thyristoren, verstopfen können. Zu diesem Zweck ist in der Kühlvorrichtung 10 ein Filter 22 vorgesehen, mit dem die Kühlflüssigkeit entsprechend gefiltert werden kann. Darüber hinaus umfasst die Kühlvorrichtung 10 einen Ionentauscher, mit dem Calcium-Kationen aus dem Kühlwasser ausgetauscht werden können.
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In die Kühlflüssigkeit bzw. in das Kühlwasser wird nun zusätzlich ein organisches Polymer eingebracht. Dieses organische Polymer ist insbesondere ein Copolymer. Das organische Polymer kann über eine Dosiereinrichtung 26 in den Kühlmittelkreislauf eingebracht werden. Die Dosiereinrichtung 26 ist fluidisch mit der Kühlleitung 12 verbunden und kann beispielsweise derart ausgebildet sein, dass es zu vorbestimmten Zeitpunkten jeweils eine vorbestimmte Menge des organischen Polymers in die Kühlflüssigkeit abgibt.
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In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die Kühlvorrichtung zusätzlich eine Sensoreinrichtung 28, mit der die Konzentration des organischen Polymers in der Kühlflüssigkeit ermittelt werden kann. Die Sensoreinrichtung 28 kann beispielsweise als chemischer Sensor oder optischer Sensor ausgebildet sein. Alternativ dazu kann die Sensoreinrichtung 28 dazu ausgebildet sein, die Konzentration der organischen Substanz indirekt anhand der Leitfähigkeit der Kühlflüssigkeit zu ermitteln Die Dosiereinrichtung 26 kann auch derart ausgebildet sein, dass sie das organische Polymer in Abhängigkeit von der mit der Sensoreinrichtung 28 ermittelten Konzentration in die Kühlflüssigkeit einbringt. Zu diesem Zweck kann die Sensoreinrichtung 28 mit der Dosiereinrichtung 26 zum Übertragen von Sensordaten verbunden sein. In der Dosiereinrichtung 26 kann ein entsprechender Regler integriert sein. Somit kann ein Regelkreis bereitgestellt werden, mit dem die Konzentration des organischen Polymers dem Kühlmittel auf einen vorbestimmten Wert gehalten werden kann.
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Das organische Polymer kann als Dispergiermittel bzw. als Dispergator ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann das organische Polymer dazu ausgebildet sein, sich an einer Innenwand 30 der Kühlleitung 12 anzulagern. Die Wirkungsweise des organischen Polymers in der Kühlflüssigkeit ist schematisch in 2 dargestellt. Durch die Korrosion der wasserumspülten metallischen Bauteile innerhalb der Kühlvorrichtung 10 befinden sich beispielsweise entsprechende Aluminiumverbindungen, wie Aluminiumhydroxid oder dergleichen, in der Kühlflüssigkeit. Insbesondere können diese Kolloide 32 ausbilden. Wenn nun organisches Polymer, das als Dispergator ausgebildet ist, in den Wasserkreislauf eingebracht wird, so belegen diese Dispergatoren die Oberfläche der Kolloide 32. Darüber hinaus lagert sich das organische Polymer an der Innenwand 30 der Kühlleitung 12 an. Diese ist vorliegend schematisch durch die Striche 34 verdeutlicht.
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Durch die Anlagerung des organischen Polymers bzw. des Copolymers auf den Kolloiden 32 sowie auf der Innenwand 30 der Kühlleitung 12 werden abstoßende Kräfte einerseits zwischen den Kolloiden 32 und andererseits zwischen den Kolloiden 32 und der Kühlleitung 12 erzeugt. Zudem kann das organische Polymer derart ausgebildet sein, dass es sich an einer Oberfläche der Steuerelektrode ablagert. Dabei kann eine Annäherung der Kolloide 32 zueinander verhindert werden. Somit können sich diese Kolloide 32 nicht verbinden. Ebenso wird die Ablagerung der Kolloide auf einer Innenseite 30 der Kühlleitung 12 sowie auf der Steuerelektrode verhindert. Somit können sich keine Schichten bilden, die sich in Form von Partikeln ablösen und die Kühlleitung 12 verstopfen könnten.
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Dadurch, dass das organische Polymer bzw. der Dispergator auch die Oberfläche der metallischen Bauteile im Wasserkreislauf besetzt, können erosive Korrosionsmechanismen reduziert werden, da es zu weniger erosiven Kontakt zwischen den Bauteilen und den Kolloiden 32 kommt.
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Die abstoßenden Kräfte der Dispergatoren können entweder durch elektrostatische, sterische oder elektrosterische Mechanismen bewirkt werden. Durch den Einsatz von Dispergatoren kann die Schichtbildung auf den Elektroden und den Kühlleitungen 12 unterbunden oder zumindest verzögert werden, wodurch die Wartungsintervalle der Anlage verlängert werden können.
