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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für einen Konverter einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage mit zumindest einer Kühlleitung, die von einer Kühlflüssigkeit durchströmt ist, und einer Steuerelektrode, die ein erstes Elektrodenelement, das innerhalb der Kühlleitung angeordnet ist, und ein mit dem ersten Elektrodenelement elektrisch verbundenes, zweites Elektrodenelement, das außerhalb der Kühlleitung angeordnet sowie mit einem vorbestimmten elektrischen Potential verbunden ist, aufweist. Überdies betrifft die vorliegende Erfindung eine Steuerelektrode für eine derartige Kühlvorrichtung.
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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 Teilen der Kühlvorrichtung und zwischen der Kühlvorrichtung und den angrenzenden Komponenten zu verhindern, sind in den Kühlmittelkreislauf 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 Potentialen 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 Steuerelektroden führen. Diese Beläge bzw. Ablagerungen neigen schließlich dazu, sich in Form von Partikeln abzulösen und Engstellen des Kühlkreislaufs, wie beispielsweise die Kühlkanäle einzelner Thyristorkühlkörper, zu verstopfen. Dies kann zu einem Ausfall der Komponente infolge von Überhitzung führen
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Aus dem Stand der Technik sind Steuerelektroden bekannt, die aus Platin hergestellt werden und stiftförmig ausgebildet sind. Derartige Steuerelektroden sind teuer in der Anschaffung. Zudem belegen sich im Laufe der Zeit die Steuerelektroden mit den Korrosionsprodukten. Bisher werden die mit den Korrosionsprodukten belegten Steuerelektroden im Abstand von Monaten oder Jahren ausgetauscht, was wiederum einen Stillstand der Hochspannungs-Gleichstrom-Anlage sowie hohe Wartungskosten zur Folge hat.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kühlvorrichtung für einen Konverter einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage bereitzustellen, die kostengünstiger und effizienter betrieben werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Kühlvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine Steuerelektrode mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 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 eine Kühlleitung, die von einer Kühlflüssigkeit durchströmt ist, und eine Steuerelektrode, die ein erstes Elektrodenelement, das innerhalb der Kühlleitung angeordnet ist, und ein mit dem ersten Elektrodenelement elektrisch verbundenes zweites Elektrodenelement, das außerhalb der Kühlleitung angeordnet sowie mit einem vorbestimmten elektrischen Potential verbunden ist, aufweist. Dabei ist das erste Elektrodenelement der Steuerelektrode zumindest teilweise aus Edelstahl gebildet.
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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. Des Weiteren umfasst die Kühlvorrichtung eine Steuerelektrode, die ein erstes und ein zweites Elektrodenelement umfasst, die elektrisch miteinander verbunden sind. Das erste und das zweite Elektrodenelement können auch einteilig ausgebildet sein. Das erste Elektrodenelement der Steuerelektrode ist dabei innerhalb der Kühlflüssigkeit angeordnet. Das zweite Elektrodenelement ist außerhalb der Kühlleitung angeordnet. Die Steuerelektrode ist mit einem vorbestimmten elektrischen Potential verbunden, so dass der gewünschte Potentialverlauf innerhalb der Kühlleitung eingestellt werden kann. Zu diesem Zweck müssen die Wände der Kühlleitung in solchen Abschnitten veränderlichen Potentials aus einem isolierenden Material hergestellt sein. Das Kühlmedium selbst muss eine sehr geringe Leitfähigkeit aufweisen, wie z.B. Reinstwasser.
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Erfindungsgemäß ist das erste Elektrodenelement der Steuerelektrode zumindest teilweise aus Edelstahl gebildet. Das erste Elektrodenelement der Steuerelektrode kann vollständig aus Edelstahl gebildet sein. Dabei ist es auch denkbar, dass das zweite Elektrodenelement aus Edelstahl gebildet ist. Insbesondere ist das erste Elektrodenelement aus einem nichtrostenden Stahl gebildet. Somit kann eine Steuerelektrode bereitgestellt werden, die im Vergleich zu üblicherweise verwendeten Steuerelektroden aus Platin kostengünstiger ist.
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Bevorzugt ist das erste Elektrodenelement der Steuerelektrode plattenförmig oder zylinderförmig ausgebildet. Mit anderen Worten weist das erste Elektrodenelement der Steuerelektrode im Vergleich zu üblicherweise verwendeten Steuerelektroden ein größeres Volumen auf. Auf diese Weise kann eine erheblich größere elektrisch belastete Fläche bereitgestellt werden. Eine Steuerelektrode aus Edelstahl wird zwar schneller korrosiv abgetragen als eine Steuerelektrode aus Platin, durch eine großvolumige Steuerelektrode kann jedoch ein Teil der Masse geopfert werden, ohne dass die Funktionsfähigkeit der Steuerelektrode beeinträchtigt wird. Durch die größere Oberfläche der Steuerelektrode beziehungsweise des ersten Elektrodenelements sinkt die Stromdichte in der Elektrode. Dadurch werden bei großflächigen Elektroden die im Kühlwasser mitgeführten Korrosionsprodukte der anderen Bauteile langsamer und als vergleichsweise dünne Schichten abgeschieden. Diese ragen weniger tief in den Kühlwasserstrom.
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In einer Ausgestaltung weist das erste Elektrodenelement der Steuerelektrode einen vorbestimmten Opferbereich auf, der im Vergleich zu einem von dem Opferbereich verschiedenen Bereich des ersten Elektrodenelements eine höhere elektrische Stromdichte aufweist. Durch die geometrische Ausgestaltung der Steuerelektrode beziehungsweise des ersten Elektrodenelements können Opferbereiche geschaffen werden, die infolge der Korrosion zuerst abgetragen werden. Die Opferbereiche können dabei so gewählt werden, dass während ihres Abtrags durch Korrosion eine ausreichende Elektrodenfläche bestehen bleibt. Auf diese Weise kann die Kühlvorrichtung zuverlässig betrieben werden.
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In einer weiteren Ausführungsform verschließt die Steuerelektrode ein Ende der zumindest einen Kühlleitung zumindest bereichsweise. Mit anderen Worten kann die Steuerelektrode als Endkappe ausgebildet sein, mit der eine rohrförmige Kühlleitung an zumindest einem Ende verschlossen werden kann. In diesem Ausführungsbeispiel kann die Steuerelektrode beziehungsweise das erste Elektrodenelement zylinderförmig ausgebildet sein. Somit dient die Steuerelektrode einerseits als Verschlusselement für die zumindest eine Kühlleitung und andererseits als Steuerelektrode, die eine große Elektrodenfläche bereitstellt.
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Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Steuerelektrode eine Durchtrittsöffnung aufweist, die mit einem Leitungselement für das Zuführen und/oder Abführen der Kühlflüssigkeit verbunden ist. Als Leitungselement kann beispielsweise eine entsprechende Kunststoffleitung verwendet werden. Somit kann über die Steuerelektrode, die als Endkappe ausgebildet ist, der Kühlleitung Kühlflüssigkeit zu- und abgeführt werden.
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In einer alternativen Ausgestaltung ist die Steuerelektrode dazu ausgebildet, die zumindest eine Kühlleitung mit einem weiteren Kühlleitungsabschnitt fluidisch zu verbinden. In diesem Fall ist die Steuerelektrode als Verbindungsstück ausgebildet, mit dem zwei Kühlleitungen miteinander verbunden werden können. Beispielsweise kann die Steuerelektrode in diesem Fall im Wesentlichen hohlzylinderförmig ausgebildet sein und entsprechende Aussparungen aufweisen, in die die jeweiligen Kühlleitungen eingebracht werden können. Somit dient die Steuerelektrode einerseits als Verbindungselement für Kühlleitungen und andererseits als Steuerelektrode mit einer großen Elektrodenfläche.
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Bevorzugt weist die Steuerelektrode ein Anschlusselement zum Zuführen und/oder Abführen einer Kühlflüssigkeit auf. Ein derartiger Anschluss kann beispielsweise als Durchgangsbohrung ausgebildet sein, die mit einem entsprechenden Anschluss versehen ist. Somit kann über den Anschluss in der Steuerelektrode Kühlflüssigkeit aus der Kühlleitung abgezweigt werden.
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Bevorzugt weist die Steuerelektrode ein Dichtungselement zum Abdichten der Steuerelektrode gegenüber der zumindest einen Kühlleitung auf. Zu diesem Zweck kann beispielsweise in der Steuerelektrode eine entsprechende Aussparung vorgesehen sein, in die ein Dichtungsring eingebracht ist. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass keine Kühlflüssigkeit aus der zumindest einen Kühlleitung nach außen dringt. Dies gilt sowohl für den Fall, dass die Steuerelektrode als Endstück für eine Kühlleitung ausgebildet ist als auch für den Fall, dass die Steuerelektrode als Zwischenstück zum Verbinden von zwei Kühlleitungen ausgebildet ist.
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Die erfindungsgemäße Steuerelektrode kann für die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung verwendet werden. Die erfindungsgemäße Steuerelektrode weist ein erstes Elektrodenelement auf, das zumindest teilweise aus Edelstahl gebildet ist. Bevorzugt weist die Elektrode im Vergleich zu üblicherweise verwendeten Elektroden aus Platin ein größeres Volumen auf.
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Die zuvor im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung beschriebenen Vorteile und Weiterbildlungen gelten sinngemäß für die erfindungsgemäße Steuerelektrode.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine ausschnittsweise Darstellung einer Kühlvorrichtung, die eine Kühlleitung und eine Steuerelektrode in einer geschnittenen Seitenansicht zeigt, wobei die Steuerelektrode als Endkappe für die Kühlleitung ausgebildet ist; und
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2 eine ausschnittsweise Darstellung einer Kühlvorrichtung, die zwei Kühlleitungen und eine Steuerelektrode in einer geschnittenen Seitenansicht zeigt, wobei die Steuerelektrode als Verbindungsstück zum Verbinden der Kühlleitungen ausgebildet ist.
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Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
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Nachfolgend werden in den 1 und 2 unterschiedliche Ausführungsformen für Kühlvorrichtungen 10 gezeigt, die zum Kühlen eines Konverters für eine Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage dienen. Die Konverter der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage dienen zum Gleichrichten einer Wechselspannung in eine Gleichspannung oder umgekehrt und umfassen üblicherweise mehrere Leistungsbauelemente in Form von Thyristoren. Die Kühlvorrichtung 10 dient zum Kühlen der Leistungsbauelemente.
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Da die Leistungsbauelemente üblicherweise auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen betrieben werden, werden sogenannte Steuerelektroden 14 verwendet, die in den Kühlkreislauf beziehungsweise in die Kühlflüssigkeit eingebracht sind. Die Steuerelektroden 14 werden mit einem vorbestimmten elektrischen Potential verbunden. Auf diese Weise können die gewünschten Potentialverläufe in dem Kühlmittelkreislauf eingestellt werden. Vorliegend sind die Steuerelektroden 14 aus Edelstahl, insbesondere einem nichtrostenden Stahl, gebildet. Zudem sind die Steuerelektroden 14 im Vergleich zu üblicherweise verwendeten Steuerelektroden aus Platin großvolumiger ausgebildet. Durch den Steuerstrom, mit dem die Steuerelektroden im Kühlkreislauf belastet sind, wird Edelstahl zwar schneller abgetragen als üblicherweise verwendetes Platin. Eine großvolumige Steuerelektrode kann jedoch so ausgelegt werden, dass ein Teil der Masse der Steuerelektrode 14 geopfert werden kann, ohne dass hierbei die Funktionsfähigkeit der Steuerelektrode beeinträchtigt wird.
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Da die Größe des elektrischen Stroms, der die Korrosion der Steuerelektrode auslöst, durch die Potentialdifferenz zwischen benachbarten Steuerelektroden und dem Widerstand des zugehörigen Kühlwasserleitungsabschnittes festgelegt ist, sinkt die Stromdichte innerhalb der Steuerelektrode 14 mit deren Oberfläche. Dadurch wachsen bei großflächigen Steuerelektroden Korrosionsprodukte als vergleichsweise dünne Schichten auf. Diese ragen weniger tief in den Kühlwasserstrom hinein und erfahren damit kleinere Kräfte und sind über größere Flächen verankert als die Ablagerungen auf den üblicherweise verwendeten Platinstiften.
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1 zeigt eine ausschnittsweise Darstellung einer Kühlvorrichtung 10 für einen Konverter einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage. Vorliegend sind eine Steuerelektrode 14 und eine Kühlleitung 12 in einer geschnittenen Seitenansicht dargestellt. Die Steuerelektrode 14 weist ein erstes Elektrodenelement 16 auf, das innerhalb der Kühlleitung 12 angeordnet ist. Zudem weist die Steuerelektrode 14 ein zweites Elektrodenelement 18 auf, das außerhalb der Kühlleitung 12 angeordnet ist. Das erste Elektrodenelement 16 ist aus Edelstahl gebildet. Vorliegend sind das erste Elektrodenelement 16 und das zweite Elektrodenelement 18 aus Edelstahl gebildet, wobei das erste Elektrodenelement 16 und das zweite Elektrodenelement 18 einteilig ausgebildet sind.
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In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Steuerelektrode 14 als Endkappe für die Kühlleitung 12 ausgebildet. Die Steuerelektrode 14 weist im Wesentlichen eine zylinderförmige Gestalt auf. Darüber hinaus kann die Steuerelektrode 14 eine Durchtrittsöffnung 20 aufweisen, die mit einem Leitungselement 22 fluidisch verbunden ist. Das Leitungselement 22 kann beispielsweise als Kunststoffschlauch ausgebildet sein. Durch das Leitungselement 22 kann Kühlflüssigkeit in die Kühlleitung 12 eingebracht werden. Ebenso kann Kühlflüssigkeit über die Durchtrittsöffnung 20 und das Leitungselement 22 aus der Kühlleitung 12 abgeführt werden.
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Darüber hinaus weist die Steuerelektrode ein Dichtungselement 24 auf, mittels welchem die Steuerelektrode 14 gegenüber der Kühlleitung 12 abgedichtet ist. Das Dichtungselement 24 ist vorliegend durch eine Aussparung, die in die Steuerelektrode 14 eingebracht ist, und einen dazugehörigen Dichtungsring gebildet. Die Kühlleitung 12 beziehungsweise das obere Ende der Kühlleitung 12 ist in die Aussparung eingebracht. Zwischen der Steuerelektrode 14 und der Kühlleitung 12 ist der Dichtring angeordnet.
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Das zweite Elektrodenelement 18 der Steuerelektrode 14 ist mit einem Potentialanschluss 26 verbunden, der beispielsweise als Kabel ausgebildet sein kann. Mit dem Potentialanschluss 26 kann das zweite Elektrodenelement 18 beziehungsweise die Steuerelektrode 14 mit einem vorbestimmten elektrischen Potential verbunden werden.
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Das erste Elektrodenelement 16 der Steuerelektrode 14 ist im vorliegenden Fall im Wesentlichen hohlzylinderförmig ausgebildet. Dabei ist ein vorbestimmter Opferbereich 28 vorgesehen. Dieser Opferbereich 28 wird infolge der Korrosion abgetragen. Dabei ist der Opferbereich 28 so gewählt, dass auch während oder nach dem Abtrag des Opferbereichs 28 eine ausreichende wirksame Elektrodenfläche bereitgestellt wird. Die vorzusehende Opfermasse M des Opferbereichs 28 der Steuerelektrode 14 kann aus dem zu erwartenden Steuerstrom und der angestrebten Standzeit t nachfolgender Formel abgeschätzt werden: M = t·0,27kg/Aa.
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Die vorzusehende Opfermasse ist proportional zu einer Masse von 0,27 kg pro Amperejahr (Aa). Im ungünstigsten Fall können pro Elektrode Massen- beziehungsweise Volumenverluste von einigen Gramm pro Jahr oder cm3/a zu erwarten sein.
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2 zeigt eine Kühlvorrichtung 10 in einer weiteren Ausführungsform. Vorliegend sind zwei Kühlleitungen 12 und 12’ sowie eine Steuerelektrode 14 in einer geschnittenen Seitenansicht gezeigt. Vorliegend ist die Steuerelektrode 14 als Verbindungsstück zum Verbinden der ersten Kühlleitung 12 mit der zweiten Kühlleitung 12’ ausgebildet. Auch in diesem Fall weist das erste Elektrodenelement 16 im Wesentlichen die Form eines Hohlzylinders auf. Zwischen der Steuerelektrode 14 und der ersten Kühlleitung 12 sowie zwischen der Steuerelektrode 14 und der zweiten Kühlleitung 12’ ist ein Dichtungselement 24 vorgesehen, das analog zu dem Dichtungselement gemäß 1 ausgebildet ist.
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Darüber hinaus kann die Steuerelektrode ein Anschlusselement 30 aufweisen, durch welches die Kühlflüssigkeit abgezweigt werden kann. Auch in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Steuerelektrode 14 beziehungsweise das erste Elektrodenelement 16 entsprechende Opferbereiche 28 auf. Wegen des hohen elektrischen Widerstands der Kühlflüssigkeit wird die Steuerelektrode an der Stelle abgetragen, die der benachbarten Elektrode in der Kühlvorrichtung 10 am nächsten ist. In diesem Bereich ist ein entsprechender Opferbereich 28 vorgesehen.
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Durch die Verwendung von Steuerelektroden, die aus Edelstahl gefertigt sind, kann eine kostengünstige Kühlvorrichtung 10 bereitgestellt werden. Durch die Vergrößerung der Oberfläche beziehungsweise des Volumens der Steuerelektroden 14 kann verhindert werden, dass sich im Laufe der Zeit an den Steuerelektroden 14 Aluminiumkorrosionsprodukte ablagern, die abbröckeln können und somit Kühlleitungen geringeren Querschnittes verstopfen können. In der gezielten Einbringung der Opferbereiche 28 in die Steuerelektroden 14 an der Stelle größter Strombelastung kann dafür gesorgt werden, dass die Steuerelektroden gegebenenfalls über Jahrzehnte trotz Materialverlust ohne Wartung betrieben werden können.
