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Kühlvorrichtung für einen Konverter einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage mit zumindest einem Kühlkörper, die einen von einer Kühlflüssigkeit durchströmten Kühlkanal aufweist, und zumindest einer Steuerelektrode, die zumindest bereichsweise innerhalb der Kühlflüssigkeit angeordnet 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 Leistungshalbleiterbauelemente, wie beispielsweise Thyristoren oder IGBTs und andere Abwärme freisetzende Bauelemente, mit denen die Wechselspannung in eine Gleichspannung gerichtet werden kann und umgekehrt. Die Leistungsbauelemente werden üblicherweise auf hohen und unterschiedlichen Potentialen gegen Erde betrieben.
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Zum Abführen der Verlustwärme der Leistungsbauelemente wird üblicherweise eine Kühlvorrichtung verwendet, die einen von einer Kühlflüssigkeit durchströmten Kühlkörper aufweist. Dieser Kühlkörper kann beispielsweise aus Aluminium gefertigt sein. Dieser Kühlkörper korrodiert in Kontakt mit dem Wasser aus zwei Gründen. Einerseits aufgrund der negativen freien Enthalpie der Aluminiumhydroxid-Bildung, die sich allein aus der Anwesenheit der Komponenten Aluminium, Wasser und gelöstem Aluminiumhydroxid ergibt. Diese Art der Korrosion findet bereits statt, wenn keinerlei zusätzliche elektrische Potentiale den Kühlkörpern von außen aufgeprägt werden. Dieser Vorgang kann als rein chemisch getriebene Korrosion bezeichnet werden. Andererseits gibt es in der HGÜ-Anlage noch die elektrisch getriebene Korrosion, die durch die Potentialdifferenz zwischen den Kühlkörpern von einigen Kilovolt getrieben wird.
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Um Überschläge zwischen Teilen des Wasserkreislaufs und zwischen dem Wasserkreislauf und den angrenzenden Komponenten zu verhindern, sind in den 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 umspielten metallischen Bauteilen kommt, enthält die Kühlflüssigkeit stets gelöste Bestandteile, die wiederum zur Abscheidung von Belägen auf den Steuerelektroden führen. Diese Beläge neigen schließlich dazu, sich in Form von Partikeln abzulösen und Engstellen des Kühlkreislaufs, wie beispielsweise die Kanäle der Kühlkörper einzelner Bauelemente, zu verstopfen.
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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 zumindest einen Kühlkörper, die einen von einer Kühlflüssigkeit durchströmten Kühlkanal aufweist, und zumindest eine Steuerelektrode, die zumindest bereichsweise innerhalb der Kühlflüssigkeit angeordnet ist, wobei eine Innenwand des Kühlkanals, die mit der Kühlflüssigkeit in Kontakt ist, zumindest bereichsweise eine Schutzschicht aufweist.
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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. Die Thyristoren sind thermisch mit zumindest einem Kühlkörper der Kühlvorrichtung verbunden, der mit einer Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser, durchströmt ist. Mit der Kühlvorrichtung kann damit die im Betrieb der Thyristoren erzeugte Verlustwärme abgeführt werden. Des Weiteren umfasst die Kühlvorrichtung eine oder mehrere Steuerelektroden. Ein Teil der Steuerelektrode ist dabei innerhalb der Kühlflüssigkeit angeordnet. Ein zweiter Teil der Steuerelektrode kann außerhalb der Kühlleitung angeordnet sein. Die Steuerelektrode ist mit einem vorbestimmten elektrischen Potential verbunden, so dass sich der Potentialverlauf innerhalb der Kühlleitung so einstellt, dass Potentialdifferenzen zwischen der Kühlflüssigkeit und dem Kühlkörper minimiert werden und dass gleichzeitig auch die Gefahr von Überschlägen zwischen der Kühlleitung und den umgebenden Anlagenteilen beseitigt wird.
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Vorliegend weist der Kühlkanal des Kühlkörpers eine Schutzschicht auf. Die Schutzschicht kann die Innenwand des Kühlkanals, die mit der Kühlflüssigkeit in Kontakt ist, bereichsweise bedecken. Insbesondere kann die Schutzschicht die Innenwand vollständig bedecken. Dabei ist es auch denkbar, dass der gesamte Kühlköper mit einer Schutzschicht versehen ist. Dadurch, dass die Kühlvorrichtung sowohl zumindest eine Steuerelektrode zum Potentialausgleich als auch eine Schutzschicht aufweist, können sowohl die Einflüsse der chemisch bewirkten Korrosion als die die Einflüsse der elektrisch bewirkten Korrosion vermindert werden.
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Die Schutzschicht ist bevorzugt mittels eines flüssigkeitsbasierten oder gasphasenbasierten Beschichtungsverfahrens (Oxsilan, CVD, Eloxal) hergestellt. Mit anderen Worten ist die Schutzschicht als Eloxal-Schicht ausgebildet. Der Kühlkörper ist hierbei bevorzugt aus Aluminium gefertigt. Somit kann eine einfach zu fertigende Schutzschicht gegen Korrosion bereitgestellt werden.
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In einer Ausgestaltung weist die Schutzschicht eine Schichtdicke geringer als 30 µm auf.
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Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn der Kühlkanal des Kühlkörpers einen Eintrittsbereich zum Einbringen der Kühlflüssigkeit in den Kühlkanal und einen Austrittsbereich zum Austreten der Kühlflüssigkeit aus dem Kühlkanal aufweist und die zumindest eine Steuerelektrode an dem Eintrittsbereich des Kühlkörpers und/oder an dem Austrittsbereich angeordnet ist.
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Bevorzugt ist die zumindest eine Steuerelektrode mit einem vorbestimmten elektrischen Potential verbunden, welches zu einem elektrischen Potential des Kühlköpers einen Potentialunterschied kleiner als 10 Volt aufweist.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist die zumindest eine Steuerelektrode elektrisch mit dem Kühlköper verbunden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die zumindest eine Steuerelektrode durchströmbar, insbesondere ring- oder hohlzylinderförmig ausgebildet.
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In einer Ausführungsform ist die zumindest eine Steuerelektrode aus Platin gebildet. In einer alternativen Ausgestaltung ist die die zumindest eine Steuerelektrode aus Edelstahl gebildet.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile und Funktionen. 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 aus 1.
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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 ist mit einer Kühlflüssigkeit, insbesondere Kühlwasser durchströmt. Zum Fördern der Kühlflüssigkeit kann die Kühlvorrichtung eine hier nicht dargestellte Pumpe aufweisen. Die Kühlvorrichtung 10 umfasst einen ersten Kühlwasserverteiler 12, der zum Verteilen des kalten Kühlwassers dient. Der erste Kühlwasserverteiler 12 weist einen Zufluss 14 auf. Darüber hinaus umfasst die Kühlvorrichtung 10 einen zweiten Kühlwasserverteiler 16, der zum Sammeln des erwärmten Kühlwassers dient. Der zweite Kühlwasserverteiler 16 weist einen Abfluss 18 auf.
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Des Weiteren umfasst die Kühlvorrichtung 10 eine Mehrzahl von Kühlkörpern 20. Die Kühlkörper 20 dienen zum Kühlen von Thyristoren 30 des Konverters. Mit einem Kühlkörper 20 kann die Abwärme, die im Betrieb eines Thyristors 30 erzeugt wird, abgeführt werden. Zu diesem Zweck sind die Kühlkörper 20 mit den Thyristoren 30 thermisch gekoppelt. Der Begriff Thyristor steht hier stellvertretend auch für weitere potentialführende Bauelemente, deren Abwärme ebenfalls über den Kühlkreislauf abgeführt wird. Die Kühlkörper 20 können beispielsweise aus Aluminium gefertigt sein. Die Kühlkörper 20 weisen einen Kühlkanal 34 auf, der von der Kühlflüssigkeit durchströmt wird (2). In alternativen Ausgestaltungen kann auch vorgesehen sein, dass der Kühlkörper 20 mehrere Kühlkanäle 34 aufweist. Ein Eintrittsbereich 22 des Kühlkanals 34 des Kühlkörpers 20 ist mittels einer ersten Leitung 24 fluidisch mit dem ersten Kühlwasserverteiler 12 verbunden. Ein Austrittsbereich 26 des Kühlkanals 34 des Kühlkörpers 20 ist mittels einer zweiten Leitung 28 fluidisch mit dem zweiten Kühlwasserverteiler 16 verbunden. Die ersten Leitungen 24 und die zweiten Leitungen 28 können insbesondere aus einem Kunststoff gefertigt sein. Somit kann die Kühlflüssigkeit von dem ersten Kühlwasserverteiler 12 über die erste Leitung 24 durch den Kühlkanal 34 des Kühlkörpers 20 und von dort über die zweite Leitung 28 in den zweiten Kühlwasserverteiler 16 fließen.
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Die Kühlkörper 20 korrodieren in Kontakt mit dem Wasser aus zwei Gründen: Zum einen aufgrund der negativen freien Enthalpie der Aluminiumhydroxid-Bildung, die sich allein aus der Anwesenheit der Komponenten Aluminium, Wasser und gelöstem Aluminiumhydroxid ergibt. Diese Art der Korrosion findet bereits statt, wenn keinerlei zusätzliche elektrische Potentiale den Kühlkörpern von außen aufgeprägt werden. Dieser Effekt wird nachfolgend als rein chemisch getriebene Korrosion bezeichnet. Zum anderen gibt es in der HGÜ-Anlage noch die elektrisch getriebene Korrosion, die durch die Potentialdifferenz zwischen den Kühlkörpern 20 von einigen Kilovolt getrieben wird. Sie kommt zustande, da der zwar hohe aber endliche Widerstand des Kühlwassers in den Leitungen aus Kunststoff dort einen Strom von H+- und OH–-Ionen fließen lässt der an den Kühlkörpern 20 entladen werden muss.
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An der Eintrittsstelle 22 des Kühlmittelstroms in den Kühlkörper 20 oder allgemeiner: dort wo die Kühlflüssigkeit erstmals auf Metall trifft, werden dann zwei in Konkurrenz stehende elektrochemische Prozesse ablaufen, deren Gewichtung vom Material an dieser Stelle abhängt: Die eine Reaktion ist die Entwicklung der Gase Wasserstoff (negativer Pol) und Sauerstoff (positiver Pol), die sich aufgrund der geringen Stromstärke (im Bereich μA bis mA) und der Strömung des Wassers in letzterem lösen und schadlos abtransportiert werden. Die andere Reaktion ist die Bildung von Metallionen oder auch die Bildung von geladenen Komplexen beiderlei Ladungsvorzeichens, die Metalle und andere Elemente enthalten. Dadurch wird das Metall langfristig aufgelöst. Im Fall von Platin wird nur ein sehr geringer Bruchteil des Stromes im Kühlwasser zur Metallauflösung führen, im Fall von Aluminium ist der Anteil des Metallzersetzungsstroms hoch, der Kühlkörper 20 wird dort durch den Stromfluss im Kühlwasser abgetragen. Jegliche Art von Metallzersetzung führt zur Belastung des Kühlwassers mit Metall in löslicher oder unlöslicher Form, das sich im Kühlwasserreinigungssystem schließlich ansammelt, oder im Kreislauf an anderer Stelle abgelagert wird und im ungünstigsten Fall zur Verstopfung der Kanäle der Kühlkörper 20 führt. Beides führt zu erhöhtem Wartungsaufwand, der zu vermeiden ist. Die rein chemisch getriebene Korrosion kann die Reinigungsanlage mit Aluminiummengen im Bereich von kg/Jahr belasten, die zusätzlich im Betrieb auftretende elektrisch getriebene Korrosion kann diesen Effekt noch deutlich übersteigen. Aus diesem Grund ist es sinnvoll, beide Effekte auszuschalten.
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Zu diesem Zweck weisen die Kühlkanäle 34 der Kühlkörper 20 eine Schutzschicht auf. Insbesondere ist eine Innenwand des Kühlkanals 34, der mit der Kühlflüssigkeit in Kontakt steht, mit der Schutzschicht versehen. Die Schutzschicht kann beispielsweise durch ein Flüssigkeits- der Gasphasen-basiertes Abscheidungsverfahren (Oxsilan, CVD, Eloxal) hergestellt sein. Die Schichtdicke der Schutzschicht kann beispielsweise 10 µm betragen.
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Des Weiteren weist die Kühlvorrichtung 10 Steuerelektroden 32 auf. Die Steuerelektroden 32 können aus einem Metall gebildet sein. Beispielsweise können die Steuerelektroden 32 aus Platin oder aus Edelstahl gebildet sein. Ein erster Bereich der Steuerelektroden 32 kann innerhalb der Kühlflüssigkeit angeordnet sein. Ein zweiter Bereich der Steuerelektroden 32 kann außerhalb einer Kühlleitung angeordnet sein und einen Potentialanschluss aufweisen. Somit kann jede der Steuerelektroden 32 mit einem vorbestimmten elektrischen Potential verbunden werden. Auf diese Weise können Potentialunterschiede in dem Kühlmittelkreislauf ausgeglichen werden.
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In dem vorliegenden Beispiel ist jeweils eine Steuerelektrode 32 im Eintrittsbereich 22 und jeweils eine Steuerelektrode 32 im Austrittsbereich 26 jedes Kühlkörpers 20 angeordnet. 2 zeigt eine Detailansicht aus 1, in der die Anordnung einer Steuerelektrode 32 und insbesondere der Eintrittsbereich 22 des Kühlkanales 34 zu erkennen ist. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Steuerelektrode 32 im Wesentlichen hohlzylinderförmig ausgebildet. Dabei ist ein erster Bereich der Steuerelektrode 32 in diesem Ausführungsbeispiel mit einem ersten Abschnitt innerhalb der ersten Leitung 24 und mit einem zweiten Abschnitt in einem Kanal 34 des Kühlkörpers 20 angeordnet. Ein zweiter Bereich der Steuerelektrode 32 ist innerhalb des Kühlkörpers 20 bzw. des Kühlkanals 34 des Kühlkörpers 20 angeordnet.
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Die Steuerelektroden 32, die im Einlassbereich 22 und im Auslassbereich 26 angeordnet sind, können elektrisch mit dem Kühlkörper 20 verbunden sein.
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Das Verhindern bzw. das Verringern der chemisch getriebenen Korrosion und der elektrisch getriebenen Korrosion gelingt nicht durch Einzelmaßnahmen, wie die Beschichtung der Kühlkörper 20 mit einer gegen chemische Korrosion beständigen Schutzschicht oder umgekehrt der Einführung einer Potentialsteuerung im Kühlwasser allein. Im ersten Fall würde eine Unterbrechung des elektrochemische Umsatzes durch die Schutzschicht zu einem Spannungsaufbau von einigen Kilovolt über die Schutzschicht führen, der zum Durchbruch führt, da diese Schichten sehr dünn sein müssen (kleiner 100 μm), um den Wärmeübertrag auf das Kühlwasser nicht zu behindern. Im zweiten Fall würde die Potentialsteuerung des Kühlwassers nicht genügen, um die rein chemisch getriebene Korrosion der Aluminiumoberflächen zu verhindern.
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Eine vollständige Vermeidung der elektrisch getriebenen Korrosion ist nur dadurch möglich, indem das Wasser an den Eintrittsstellen 22 und den Austrittsstellen 26 des Kühlkörpers 20 bis auf höchstens wenige 10 V auf das Potential des Kühlkörpers 20 gebracht wird. Etwas entfernt von dieser Stelle ist dann die Potentialdifferenz zwischen Wasser und Kühlkörperwand gänzlich verschwunden. Eine wenige 10 μm dicke Korrosionsschutzschicht, die über die gesamte mit dem Wasser in Kontakt befindliche Fläche der Innenwand des Kühlkanals 34 des Kühlkörpers 20 aufgebracht ist, kann die vorliegenden Potentialdifferenzen von wenigen 10 V schadlos überstehen, ohne durchzuschlagen oder sich aufzulösen. Damit kann unter diesen Umständen sowohl die von der noch verbleibenden Potentialdifferenz getriebene elektrische Korrosion als auch die chemische Korrosion unterbunden werden. Die Potentialangleichung von Wasser und Kühlkörper – insbesondere an der Eintrittsstelle und/oder Austrittsstelle – kann nur durch im Wasserstrom unmittelbar vor oder nachgelagerte Steuerelektroden 32 erfolgen, die mit dem Kühlkörper 20 elektrisch verbunden sind.
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Bei der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung erfolgt eine Kombination von Potentialsteuerung und Antikorrosionsbeschichtung. Die Potentialsteuerung begrenzt dabei die Potentiallage des Kühlwassers derart, dass die verbleibenden geringen Potentialdifferenzen durch die Korrosionsschutzbeschichtung unschädlich gemacht werden können.
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Das Ausführungsbeispiel dient lediglich der Erläuterung der Erfindung und soll diese nicht beschränken.
