換流站靜電場對閥冷冷卻塔結垢差異性影響分析

摘 要：換流站閥冷系統(tǒng)冷卻塔結垢問題一直是一個技術難題，總結多年來換流站冷卻塔結垢情況，發(fā)現(xiàn)一個普遍規(guī)律：換流站負極側(cè)冷卻塔結垢情況明顯比正極側(cè)嚴重。本文從換流站靜電場分布的不同形式分析了由于噴淋水中離子的取向性極化導致冷卻塔結垢差異化的原因，并提出了采用靜電屏蔽的方式消除靜電影響的改進措施，以保障閥冷系統(tǒng)的運行散熱效果和換流閥系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。

關鍵詞：換流站；閥冷系統(tǒng)；冷卻塔；靜電場；取向性極化；結垢；靜電屏蔽

中圖分類號：TM631.3 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）33-0093-02

引 言

換流閥冷卻系統(tǒng)是換流閥的一個重要組成部分，它將閥體上各元器件的工號發(fā)熱量排放到閥廳外，保證晶閘管運行結溫在正常范圍[1]。因此，換流閥冷卻系統(tǒng)的散熱能力直接關系到換流閥運行的安全穩(wěn)定，而冷卻塔的換熱效果是對換流閥冷卻系統(tǒng)散熱能力的關鍵影響因素。

一般情況，換流站通過向噴淋水投加緩蝕阻垢劑的方法可以有效控制冷卻塔結垢，出現(xiàn)輕微結垢屬正常現(xiàn)象，但在同等水源、同等加藥條件下，運行現(xiàn)場仍表現(xiàn)出結垢的差異性，總結多年來換流站冷卻塔結垢情況，發(fā)現(xiàn)負極側(cè)冷卻塔結垢情況明顯比正極側(cè)嚴重，本文將從換流站特有的構造闡述站內(nèi)靜電場的分布方式，分析正、負靜電場對冷卻塔內(nèi)噴淋水中離子的電場力作用，進而結合電化學中取向性極化現(xiàn)象[2]對兩極的結垢差異性進行論證，并提出采用靜電屏蔽[6]方式消除靜電場對冷卻塔結垢影響的解決方法。

1 換流站靜電場分布分析

換流站一般主要由交流場、閥廳、直流場以及濾波場幾大部分組成，分為正、負兩極，根據(jù)其電壓等級以及輸送容量設計的不同可分為雙極雙閥組和雙極四閥組[1]。

1.1 換流站的結構布局

以±800kV普洱換流站為例，其交、直流場布局如圖1所示。

在整流換流站，交流電源經(jīng)交流場將外部電源送至閥廳，經(jīng)換流閥整流后輸出至直流場，再經(jīng)直流場及高壓直流輸電線路送至受端，逆變站與其過程相反。

1.2 換流站靜電場分布

如圖1所示，換流站極Ⅰ為0～+800kV的電壓等級，而極Ⅱ為0～800kV的電壓等級[3]，由此，可以認為極Ⅰ區(qū)域存在一個正電場，其電場方向由極Ⅰ直流場指向無窮遠，而極Ⅱ則存在一個負電場，其電場方向由無窮遠指向極Ⅱ直流場[5]，其靜電場分布示意圖如圖2所示。

如圖2所示，無論極Ⅰ直流場的正電場還是極Ⅱ直流場的負電場，當受到障礙物阻擋時，其電場強度會大大減弱，但在兩極換流變廣場的空曠地帶則基本不會對電場有太大阻擋[6]，而冷卻塔處在不同的靜電場條件下勢必受其影響。

2 靜電場對噴淋水結垢的影響分析

換流閥冷卻系統(tǒng)外冷水系統(tǒng)一般由噴淋泵將噴淋水池內(nèi)的外冷水經(jīng)花灑均勻的噴到內(nèi)冷水的蛇形盤管上，已達到增大換熱面積的效果，再由冷卻風機將熱量傳遞至空氣中[5]，如圖3所示。

2.1 冷卻塔結垢的危害分析

冷卻塔結垢會影響閥冷系統(tǒng)的散熱效果，導致閥冷系統(tǒng)內(nèi)冷水溫升高，進而影響和縮短換流閥設備的使用壽命。當內(nèi)冷水溫因結垢而升高，將更有助于垢體的析出和硬化，在冷卻塔蛇形盤管表面不斷堆積，進一步影響散熱效果導致內(nèi)冷水溫進一步升高，如此惡性循環(huán)[8]，當結垢達到一定程度將使冷卻塔喪失冷卻能力，導致閥組閉鎖。

另外，脫落的垢體進入循環(huán)水泵還會導致循環(huán)水泵葉輪和機械密封損壞，嚴重影響閥冷系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。

2.2 靜電場對噴淋水的取向性極化作用

取向性極化是一種電介質(zhì)極化現(xiàn)象，外電場對電偶極矩的力矩作用，使它們傾向于定向排列[2]。

冷卻塔中的噴淋水在取向性極化的作用下，其中的正、負離子會發(fā)生位移，根據(jù)同性相斥、異性相吸的電場力原理，正離子位移方向與電場方向相同，負離子位移方向與電場方向相反，而噴淋水是由花灑噴出，所以其水流具有間斷性，噴淋水中的離子不可能穿越空氣發(fā)生位移，所以可以認為這種取向性極化現(xiàn)象只是發(fā)生在噴淋水與冷卻塔接觸且在靜電場影響范圍內(nèi)的部分。

2.2.1 換流站正極側(cè)的取向性極化

在換流站的正極，噴淋水中易導致結垢的Ca2+和Mg2+等陽離子會在電場力作用下向冷卻塔壁反向位移，而不易導致結垢的CO32-和SO42-等離子會向冷卻塔壁方向位移，Ca2+和Mg2+等陽離子受到水流和空氣的阻擋，無法在某個部位大量聚集，而發(fā)生取向性極化的CO32-和SO42-等離子不會析出結垢，所以，現(xiàn)場觀察正極冷卻塔結垢非常輕微，正電場下噴淋水離子取向性極化效果如圖4所示。

2.2.2 換流站負極側(cè)的取向性極化

在換流站的負極，噴淋水中易導致結垢的Ca2+和Mg2+等陽離子會在電場力作用下向冷卻塔壁方向位移，而不易導致結垢的CO32-和SO42-等離子會向冷卻塔壁反向位移，正電場下離子取向性極化效果如圖5所示。

取向性極化發(fā)生后，靠近冷卻塔內(nèi)壁噴淋水會聚集大量的Ca2+和Mg2+，發(fā)生如下化學反應：

Ca2++2OH-=Ca（OH）2（1）

Ca（OH）2+CO2=CaCO3↓+H2O（2）

Ca2+和Mg2+極易與水中的OH-結合生成易溶于水的Ca（OH）2和Mg（OH）2，在冷卻塔風機的作用下，大量空氣進入塔內(nèi)，空氣中的大量CO2與Ca（OH）2和Mg（OH）2反應生成難溶于水的CaCO3和MgCO3，CaCO3和MgCO3沉淀物附著在蛇形盤管和冷卻塔壁等金屬表面經(jīng)長時間的沉淀便形成大量水垢。

綜合以上分析結果，在換流站不同的靜電場條件下，負電場對噴淋水中離子的取向性極化作用加劇了Ca2+和Mg2+等離子的析出，導致負極冷卻塔結垢嚴重，造成了正、負極的結垢差異性問題。

3 冷卻塔結垢差異的解決思路

根據(jù)以上分析，換流站存在的靜電場對噴淋水的取向性極化現(xiàn)象導致了換流站正、負極的結垢程度差異，只有消除了靜電影響才能杜絕此類現(xiàn)象的發(fā)生，所以考慮采用對負極側(cè)冷卻塔加裝靜電屏蔽罩的方式解決該問題，加裝靜電屏蔽罩后，在電磁屏蔽原理“集膚效應”[7]的作用下，屏蔽罩內(nèi)場強為零，不會對水中離子產(chǎn)生電場力作用，進而可以徹底解決結垢的差異性問題。

4 結 論

本文系統(tǒng)闡述了換流站內(nèi)普遍存在的正、負極側(cè)換流閥冷卻系統(tǒng)冷卻塔結垢差異性的問題，分析了冷卻塔結垢的諸多危害，細致解析了在不同靜電場環(huán)境下噴淋水內(nèi)離子發(fā)生取向性極化的反應過程，表明了導致冷卻塔差異性結垢的根本原因并提出解決方法，對于保障閥冷系統(tǒng)的散熱效果和換流閥系統(tǒng)安全穩(wěn)定具有重要意義，可為其他換流站提供參考借鑒。

基金項目：國家自然科學基金資助項目（0000000）。

參考文獻

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收稿日期：2018-9-10

作者簡介：王小嶺（1987-），男，工程師，本科，主要從事?lián)Q流閥冷卻系統(tǒng)檢修工作。