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Die Erfindung betrifft eine Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungs-Anlage mit einem Leitfähigkeitssensor und Steuerelektroden zur Potentialsteuerung des Kühlwassers.
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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. Um die funktionsnotwendigen Potentialunterschiede in der Kühlanlage zu ermöglichen, sind die Wandungen der Kühlleitungen in den Abschnitten veränderlichen Potentials isolierend ausgelegt, z. B. aus Kunststoff. Als Kühlmedium wird eine sehr schlecht leitende Flüssigkeit, wie z. B. Reinstwasser eingesetzt.
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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 zu verstopfen. Dies kann zu einem Ausfall der Komponente infolge von Überhitzung führen.
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Gemäß dem Stand der Technik werden die Steuerelektroden in regelmäßigen Abständen ausgebaut, um diese von den Ablagerungen zu befreien oder die Steuerelektroden komplett zu ersetzen. Diese Reinigungsmaßnahmen erfordern eine sehr zeit- und kostenintensive Außerbetriebnahme der Konverteranlage.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Wartungszeiten von Steuerelektroden in der Kühlvorrichtung von Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungs-Anlagen zu vermindern.
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Die Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungs-Anlage gelöst.
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Die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungs-Anlage gemäß der Erfindung umfasst wenigstens einen Thyristorbaustein mit wenigstens einem Verteilerrohr mit einem Rohrdurchmesser zur Versorgung einzelner Thyristoreinheiten mit Kühlwasser. In dem Verteilerrohr ist je Hälfte des Verteilerrohrs wenigstens eine Steuerelektrode zur Potentialsteuerung des Kühlwassers angeordnet. In einem Abstand von maximal einem Rohrdurchmesser zu wenigstens einer der Steuerelektroden ist ein Leitfähigkeitssensor angeordnet. Der Leitfähigkeitssensor umfasst zwei Messelektroden, welche in eine Leitfähigkeitsmesszelle hineinragen. Der Sensor umfasst weiterhin eine Umwandung der Leitfähigkeitsmesszelle aus nicht leitendem Material derart, dass die Umwandung eine Abschirmung der zwei Messelektroden gegen eine im Kühlwasser herrschende Stromverteilung darstellt. Weiterhin weist die Umwandung der Leitfähigkeitsmesszelle eine erste Öffnung auf, die in Kontakt mit dem Kühlwasser steht.
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Um die Korrosion und damit auch die Wartungszeiten der Steuerelektroden zu verringern, ist es zur Auslegung und Optimierung der Steuerelektroden, insbesondere der Elektrodenmaterialien und der Elektrodengeometrien nötig, die Leitfähigkeit des Kühlwassers in der unmittelbaren Umgebung der Steuerelektroden zu messen. Das Messen erfolgt vorteilhaft mit dem Leitfähigkeitssensor. Der Leitfähigkeitssensor ist vorteilhaft derart ausgestaltet, dass er von der Stromverteilung der Steuerelektroden im Kühlwasser abgeschirmt ist. Weiterhin sorgt die Abschirmung vorteilhaft dafür, dass ein guter Austausch der leitfähigen Spezies durch Diffusion zwischen dem Außenraum der Leitfähigkeitsmesszelle und deren Innenraum stattfindet. Vorteilhaft kann die lokale Leitfähigkeit in der direkten Elektrodenumgebung der Steuerelektroden gemessen werden und darauf beruhend der Einfluss der Elektrodengeometrie, -materialen und -prozesse an den Steuerelektroden analysiert werden. Dadurch ist eine Optimierung der Elektrodengeometrie, der Elektrodenmaterialien und der Anströmung vorteilhaft möglich, so dass Austauschzeiten der Steuerelektroden vorteilhaft verringert werden können. Die Messelektroden des Leitfähigkeitssensors umfassen typischerweise Platin oder Gold, d.h. korrosionsbeständiges Material. Zwischen den beiden Messelektroden ist typischerweise eine geringe Wechselspannung von bis zu 100 V zur Widerstandsmessung angelegt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung liegt der Rohrdurchmesser in einem Bereich von 20 mm bis 40 mm für ein Verteilerrohr und in einem Bereich von 50 mm bis 70 mm für ein Turmrohr, welches die Gesamtverteilung des Kühlwassers an die einzelnen Thyristor-Bausteine gewährleistet. D.h. auch der Abstand des Leitfähigkeitssensors zur Steuerelektrode liegt maximal bei 40 mm, bzw. 70 mm. Somit ist es vorteilhaft möglich, direkt örtlich aufgelöst die Leitfähigkeit in der Nähe der Steuerelektrode zu messen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist der Leitfähigkeitssensor derart in der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage positioniert, dass die erste Öffnung in einem Bereich von plan mit einer Wand des Verteilerrohrs bis zu der Mitte des Verteilerrohrs, d.h. der Verteilerrohrachse, angeordnet ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung umfasst die Umwandung der Leitfähigkeitsmesszelle eine zweite Öffnung, die in Kontakt zur Umgebung steht, derart, dass Luft oder Kühlwasser aus der Leitfähigkeitsmesszelle entnehmbar ist. Insbesondere zum erstmaligen Befüllen des Messvolumens der Leitfähigkeitsmesszelle mit Kühlwasser kann über die zweite Öffnung Flüssigkeit angesaugt werden, um die Messzelle vorteilhaft vollständig zu füllen. Weiterhin kann der Konzentrationsausgleich zwischen der Leitfähigkeitsmesszelle und der Messflüssigkeit, d.h. dem Kühlwasser, verbessert werden, in dem vorteilhaft kontinuierlich ein geringer Flüssigkeitsstrom durch die Leitfähigkeitsmesszelle Messzelle aufrechterhalten wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Durchmesser der ersten Öffnung der Umwandung maximal 3 mm groß. Der Durchmesser der zweiten Öffnung der Leitfähigkeitsmesszelle ist hinsichtlich eines maximalen Durchmessers durch den Durchmesser des Sensors beschränkt und durch die Notwendigkeit den durch die zweite Öffnung zur Umgebung fließenden Strom klein zu halten im Vergleich zum Strom durch die Steuer- und Sensorelektroden. Ein weiterer Parameter zur Beeinflussung dieses Stromes ist die Länge eines Ableitungsschlauches aus dem Leitfähigkeitssensor zur Umgebung. Die zweite Öffnung der Leitfähigkeitsmesszelle zum Messvolumen ist vorteilhaft so klein, dass die Stromverteilung aus der Umgebung der Steuerelektrode nicht an die Messelektroden der Leitfähigkeitsmesszelle gelangt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung sind die zwei Messelektroden in einem Abstand von maximal 5 mm voneinander entfernt angeordnet. Vorteilhaft wird dadurch der Widerstand, das Verhältnis von Tot- zu Messvolumen, die Gefahr des Durchschlags der Umwandung zur Umgebung und die Stromdichteverzerrung möglichst niedrig gehalten. Weiterhin wird vorteilhaft eine sehr gute Ortsauflösung der Leitfähigkeitsmessung gewährleistet.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Leitfähigkeitssensor in dem Verteiler- oder Turmrohr derart beweglich angebracht, dass die erste Öffnung in einem Abstand im Bereich des Rohrdurchmessers um die Steuerelektrode herum bewegt werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung umfasst die Umwandung der Leitfähigkeitsmesszelle Glas, Polypropylen und/oder Polyvinylidenfluorid. Diese Materialien haben vorteilhaft gemeinsam, dass sie unlöslich und nicht leitend in der wässrigen Umgebung des Kühlwassers vorliegen.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen und mittels 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 einen Baustein einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage mit Steuerelektroden und Leitfähigkeitssensor;
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2 eine schematische Darstellung einer Detailansicht eines Verteilerrohrs eines Bausteins mit Steuerelektrode und Leitfähigkeitssensor.
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1 zeigt eine Kühlvorrichtung 10, die zum Kühlen eines Bausteins innerhalb eines Konverters für eine Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage dient. Die Kühlvorrichtung 10 wird von einer Kühlflüssigkeit, insbesondere Kühlwasser 42, durchströmt. Zum Fördern der Kühlflüssigkeit kann die Kühlvorrichtung eine hier nicht dargestellte Pumpe aufweisen. Die Kühlvorrichtung 10 umfasst ein erstes Verteilerrohr 12, das zum Verteilen des kalten Kühlwassers dient. Das erste Verteilerrohr 12 weist einen Zufluss 14 aus dem Kaltwasser-Turmrohr auf. Darüber hinaus umfasst die Kühlvorrichtung 10 ein zweites Verteilerrohr 16, welches zum Sammeln des erwärmten Kühlwassers 42 dient. Das zweite Verteilerrohr 16 weist einen Abfluss 18 in das warmwasserführende Turmrohr 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. Ein Kühlkörper 20 ist mittels einer ersten Leitung 24, einer Kaltwasserzuleitung zum Kühlkörper 20, fluidisch mit dem ersten Verteilerrohr 12 verbunden. Weiterhin ist ein Kühlkörper 20 mittels einer zweiten Leitung 28, einer Warmwasserableitung von dem Kühlkörper, fluidisch mit dem zweiten Verteilerrohr 16 verbunden.
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Die erste Leitung 24 und die zweite Leitung 28 können insbesondere aus einem Kunststoff gefertigt sein. Somit kann die Kühlflüssigkeit von dem ersten Verteilerrohr 12 über die erste Leitung 24 und den Kühlkörper 20 fließen und von dort über die zweite Leitung 28 in das zweite Verteilerrohr 16 abgeführt werden.
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Weiterhin weist die Kühlvorrichtung 10 Steuerelektroden 32 auf. Mittels der Steuerelektroden 32 können lokal Potentiale dem Kühlmittelkreislauf aufgeprägt werden. 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 ist innerhalb der Kühlflüssigkeit angeordnet. Ein zweiter Bereich der Steuerelektroden 32 ist außerhalb des Verteilerrohrs angeordnet und weist einen Potentialanschluss auf. Somit kann jede der Steuerelektroden 32 mit einem vorbestimmten elektrischen Potential verbunden werden. Im vorliegenden Beispiel sind je Verteilerrohrhälfte 12 zwei Steuerelektroden 32 angeordnet. Örtlich nah zu dieser Steuerelektrode 32 ist jeweils ein Leitfähigkeitssensor 40 angeordnet.
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2 zeigt eine Detailansicht 1 der Steuerelektrode und des Leitfähigkeitssensors 40. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Steuerelektrode 32 im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet. Die Geometrie der Steuerelektrode 32 beeinflusst in Abhängigkeit der Umströmung der Steuerelektrode 32 und Elektrodenbelastung die Leitfähigkeit in der Umgebung und beeinflusst den Anbindungswiderstand an das Kühlwasser 42.
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Die Detailansicht 1 zeigt weiterhin, dass der Leitfähigkeitssensor 40 in einem maximal ersten Abstand 54 von der Steuerelektrode 32 entfernt angeordnet ist. Dieser erste Abstand 54 ist maximal der Verteilerrohrdurchmesser 52 des ersten Verteilerrohrs 12. In diesem Beispiel beträgt der Verteilerrohrdurchmesser 52 35 mm. In dem ersten Verteilerrohr 12 befindet sich Kühlwasser 42. Der Leitfähigkeitssensor 40 umfasst eine Leitfähigkeitsmesszelle 41. Er umfasst weiterhin eine erste Messelektrode 48 und eine zweite Messelektrode 50. Die Leitfähigkeitsmesszelle 41 ist über eine erste Öffnung 44 mit dem Kühlwasser 42 und eine zweite Öffnung 46 mit der Umgebung verbunden. Der Leitfähigkeitssensor umfasst typischerweise eine erste Länge 56 von 17 mm und eine erste Breite 58 von 5 mm. Der erste Durchmesser 45 der ersten Öffnung 44 zum Kühlwasser beträgt insbesondere 2 mm. Auch der zweite Durchmesser 47 der zweiten Öffnung 46 beträgt typischerweise 2 mm. Diese geringe Öffnung gewährleistet, dass der Leitfähigkeitssensor 40 vom Stromfluss um die Steuerelektroden 32 im Kühlwasser 41 abgeschirmt ist. Ein typischer Abstand der beiden Messelektroden 48, 50 beträgt 2 mm bis 3 mm. Die Leitfähigkeit des Kühlwassers 42 liegt insbesondere in einem Bereich kleiner als 0,3 µS/cm. Die Durchflussrate des Kühlwassers 42 durch die Leitfähigkeitsmesszelle 41 beträgt typischerweise weniger als 10 ml/min. Der Leitfähigkeitssensor 40 ragt in diesem Beispiel eine zweite Länge 60 von 17 mm in das Verteilerrohr 12 hinein.
