換流閥內(nèi)冷卻系統(tǒng)均壓電極結(jié)垢分布規(guī)律

梁秉崗，王晨星，張朝輝，梁家豪，劉學(xué)忠，趙瑞雪，焦秀英

(1. 中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，廣州510663；2. 電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西安交通大學(xué))，西安 710049；3. 西安西電電力系統(tǒng)有限公司，西安 710065)

0 引言

我國(guó)電力工業(yè)目前已進(jìn)入全國(guó)聯(lián)網(wǎng)的新階段，高壓直流輸電由于具有經(jīng)濟(jì)效益高、線路有功損耗小、電磁輻射小、調(diào)節(jié)速度快和運(yùn)行可靠等明顯的優(yōu)勢(shì)，在“西電東送”和“南北互供”的戰(zhàn)略中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。換流閥作為高壓直流輸電系統(tǒng)的核心設(shè)備，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，需由專門的冷卻系統(tǒng)散熱。通常，換流閥冷卻系統(tǒng)由循環(huán)、封閉的內(nèi)冷卻系統(tǒng)和外冷卻系統(tǒng)組成。內(nèi)冷卻系統(tǒng)通過(guò)熱傳導(dǎo)直接與晶閘管換流閥元件進(jìn)行熱量交換，外冷卻系統(tǒng)則主要負(fù)責(zé)對(duì)內(nèi)冷卻媒介進(jìn)行冷卻，內(nèi)、外冷卻系統(tǒng)協(xié)同作用，將換流元件的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行結(jié)溫維持在80 ℃以下[1-5]。

目前，在我國(guó)已經(jīng)建成的換流站中，換流閥內(nèi)冷卻系統(tǒng)普遍采用去離子水作為冷卻介質(zhì)。內(nèi)冷卻水路一般由閥塔主水路和閥組件內(nèi)水路[6-8]組成。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，水路中內(nèi)冷卻水在水處理系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和控制下被嚴(yán)格維持在低電導(dǎo)率狀態(tài)，通常電導(dǎo)率超過(guò)0.5 μS/cm即會(huì)觸發(fā)告警或跳閘信號(hào)[9-12]。盡管如此，在換流閥運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的高電壓環(huán)境下，內(nèi)冷卻水回路中仍可能產(chǎn)生泄漏電流，該電流曾經(jīng)引發(fā)的金屬腐蝕等問(wèn)題影響了閥組件的安全可靠運(yùn)行[13-16]。因此，換流閥內(nèi)冷卻水路的特定位置一般會(huì)安裝有鉑制針形均壓電極從而使冷卻水路與相應(yīng)閥塔或閥層的電壓分布保持一致，如圖1所示。

圖1 換流閥內(nèi)冷卻水路及均壓電極照片F(xiàn)ig.1 Photos of valve cooling water way and grading electrodes

雖然均壓電極的安裝有效保護(hù)了內(nèi)冷卻水路中的金屬設(shè)備，但也引發(fā)了新的問(wèn)題：閥內(nèi)冷系統(tǒng)在長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，冷卻水路特定位置的均壓電極出現(xiàn)了表面附著氫氧化鋁結(jié)垢的現(xiàn)象，如圖2所示[17-19]。均壓電極結(jié)垢的危害不容小覷，因?yàn)檫@將引發(fā)內(nèi)冷卻水路堵塞、漏水、散熱失靈等一系列問(wèn)題。早在2006年，天廣高壓直流輸電工程中就發(fā)生過(guò)均壓電極結(jié)垢脫落導(dǎo)致水路堵塞，并引發(fā)換流元件過(guò)熱以致直流系統(tǒng)被迫停運(yùn)的事故。不久，貴廣高壓直流Ⅰ回工程也發(fā)現(xiàn)了均壓電極結(jié)垢導(dǎo)致密封圈腐蝕而漏水的事故。截止2012年，國(guó)家電網(wǎng)公司12座換流站共發(fā)生直流閉鎖事故80起，其中因換流閥內(nèi)冷卻系統(tǒng)故障而導(dǎo)致的單雙極閉鎖事故有18起，占事故總數(shù)的22.5%；2019年南方各直流工程共發(fā)生單級(jí)閉鎖事故10起，其中因換流閥內(nèi)冷卻系統(tǒng)故障而導(dǎo)致的單級(jí)閉鎖事故共2起，占事故總數(shù)的20%。根據(jù)對(duì)德陽(yáng)、寶雞、伊敏、興仁等換流站發(fā)生的運(yùn)行事故的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，因換流閥內(nèi)冷卻系統(tǒng)故障引發(fā)的換流站運(yùn)行事故占事故總數(shù)比例約為10%。對(duì)于換流閥內(nèi)冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)的故障，其絕大多數(shù)直接或間接由內(nèi)冷卻水路均壓電極吸附結(jié)垢的問(wèn)題導(dǎo)致，占比在70%以上[20-24]。

為了研究工程實(shí)際中均壓電極表面結(jié)垢的分布規(guī)律及其影響因素，本文針對(duì)四重閥塔螺旋型主水路、二重閥塔S型主水路、并聯(lián)型閥組件內(nèi)水路等典型結(jié)構(gòu)閥內(nèi)冷水路中的電極結(jié)垢進(jìn)行了實(shí)地測(cè)量和統(tǒng)計(jì)，利用軟件仿真計(jì)算了均壓電極表面電流的大小和密度分布，由實(shí)地測(cè)量統(tǒng)計(jì)和仿真計(jì)算結(jié)果分析了電場(chǎng)和流體場(chǎng)等環(huán)境因素對(duì)均壓電極結(jié)垢程度的影響。

1 換流閥塔主水路電極結(jié)垢的分布規(guī)律

換流閥內(nèi)冷卻系統(tǒng)閥塔主水路的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)有2種，即：螺旋型主水路和S型主水路。本文分別對(duì)寶雞和德陽(yáng)±500 kV換流站(四重閥塔結(jié)構(gòu))中的螺旋型主冷卻水路中384支均壓電極(48支/閥塔)和伊敏±500 kV換流站(二重閥塔結(jié)構(gòu))中的S型主冷卻水路中438支均壓電極(73支/閥塔)的結(jié)垢厚度進(jìn)行了測(cè)量和統(tǒng)計(jì)。對(duì)各電極的結(jié)垢程度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)，使用螺旋測(cè)微器(精度0.01 mm)分別對(duì)其根部、中部和端部的結(jié)垢厚度進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，并將三者的算數(shù)平均值作為該電極的結(jié)垢厚度，如圖3所示。

圖3 針形電極結(jié)垢厚度測(cè)量示意圖Fig.3 Measurement diagram of thickness of deposition on pin-type electrode

1.1 四重閥塔螺旋型主水路結(jié)垢分布

寶雞、德陽(yáng)和興仁等地±500 kV換流站中四重閥塔內(nèi)的主冷卻水路為典型的螺旋型結(jié)構(gòu)，水路結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4中閥塔內(nèi)螺旋型主水路由主進(jìn)水水路和主出水水路2條管路構(gòu)成，每條管路分別由5—6節(jié)聚偏氟乙烯(PVDF)材質(zhì)、內(nèi)徑為96 mm的螺旋型水路單元拼接組成。主冷卻水路中，閥塔頂層屏蔽附近、主水路與閥層內(nèi)水路交匯處、閥層間主水路的特定位置以及閥塔底部附近均安裝有鉑制針形均壓電極。四重閥塔螺旋型主水路中均壓電極的安裝一般遵循2個(gè)原則，即電位就近鉗制原則和電橋平衡原則。其中，電位就近鉗制原則指：主水路電極的電位與距離最近的閥組件的對(duì)應(yīng)電位應(yīng)保持一致。電橋平衡原則指：以均壓電極作為節(jié)點(diǎn)，主水路在各相鄰節(jié)點(diǎn)間的電阻分布與各層閥組件(反向阻斷狀態(tài))的電阻分布保持一致。在此原則下，該種安裝方式能夠有效地消除主水路與相鄰閥組件間的電位差，即能使主水路電極發(fā)揮“均壓”作用。

圖4 四重閥塔螺旋型主水路結(jié)構(gòu)及電極布置示意圖Fig.4 Structure of spiral-type cooling circuit and layout of grading electrodes in quadruple valve tower

圖5給出了寶雞/德陽(yáng)站極Ⅰ(+500 kV)和極Ⅱ(-500 kV)閥廳中主冷卻水路不同位置均壓電極表面結(jié)垢的平均厚度。從圖5可見(jiàn)，無(wú)論極Ⅰ閥廳還是極Ⅱ閥廳，閥塔主水路中結(jié)垢厚度最大的電極均位于最高電位處：極Ⅰ閥廳中閥塔底層電位最高(+500 kV)，而該處的電極結(jié)垢程度最為嚴(yán)重，平均結(jié)垢厚度高達(dá)0.36 mm(寶雞站)和0.65 mm(德陽(yáng)站)；極II閥廳中閥塔頂層電位最高(0 kV)，該處附近電極結(jié)垢程度最為嚴(yán)重，平均結(jié)垢厚度約為0.24 mm(寶雞站)和0.23 mm(德陽(yáng)站)。

圖5 四重閥塔螺旋型主水路電極結(jié)垢厚度分布Fig.5 Thickness distribution of deposition on grading electrodes in spiral-type cooling circuit of quadruple valve tower

進(jìn)一步地，利用軟件仿真對(duì)寶雞站極Ⅰ(+500 kV)四重閥塔一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)主冷卻水路的電極電流進(jìn)行了計(jì)算。圖6對(duì)主冷卻水路均壓電極的電流直流分量及其表面結(jié)垢厚度進(jìn)行對(duì)比(圖中以由電極流向冷卻水的陽(yáng)極電流方向?yàn)殡娏髡较?。由圖6可以看出，四重閥塔螺旋型主進(jìn)水水路和主出水水路中的最大陽(yáng)極電流直流分量出現(xiàn)在電位最高的底層屏蔽處(約3.5 mA和2.5 mA)，而該處電極表面的結(jié)垢厚度亦為最大；而主水路與閥組件內(nèi)水路交匯處、相鄰閥組件之間的水路均壓電極的電流直流分量很小(小于0.1 mA)，其結(jié)垢程度較輕。需要注意的是，相鄰閥組件之間的主冷卻水路中，均壓電極與內(nèi)冷卻水之間并非完全沒(méi)有電荷交換。圖7給出了換流閥運(yùn)行一個(gè)周期內(nèi)主冷卻水路中流入/流出均壓電極的電流(以由電極流向冷卻水的陽(yáng)極電流方向?yàn)檎较?。結(jié)合圖6—7可以看出，雖然主水路電極與內(nèi)冷卻水之間存在電荷交換，但在換流閥的一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)，電極電流的直流分量幾乎為0，即均壓電極與內(nèi)冷水的凈交換電荷很小，最終該處電極表面的結(jié)垢程度較輕。這一結(jié)果說(shuō)明，在四重閥塔螺旋型主水路中，電極結(jié)垢的厚度主要取決于電極表面陽(yáng)極電流方向(即由電極流向冷卻水方向)直流分量的大小。

圖6 四重閥塔螺旋型主水路電極電流直流分量與結(jié)垢厚度Fig.6 DC component of spiral type main water circuit electrodes electric current and deposition thickness of quadruple valve tower

圖7 四重閥塔螺旋型主水路流入/出電極的電流Fig.7 Electric current flowing into or out of grading electrodes in quadruple valve tower

1.2 二重閥塔S型主水路結(jié)垢分布

伊敏±500 kV換流站中二重閥塔內(nèi)的主冷卻水路為典型的S型主水路結(jié)構(gòu)，如圖8所示。

圖8 二重閥塔S型主水路結(jié)構(gòu)及電極布置示意圖Fig.8 Structure of S-type cooling circuit and layout of grading electrodes in double valve tower

圖8中L1—L4為二重閥塔內(nèi)的4條主進(jìn)/出冷卻水路，每條水路分別由8節(jié)PVDF材質(zhì)、內(nèi)徑約為96 mm的S型水路單元拼接組成。與螺旋型主冷卻水路相似，S型主冷卻水路中，閥塔頂部附近(包括頂部鋼梁附近和頂層屏蔽附近)、主水路與閥層內(nèi)水路交匯處以及閥塔底層屏蔽附近均安裝有均壓電極。

圖9給出了伊敏±500 kV換流站中極II(-500 kV)閥廳低、高壓閥塔中S型主水路均壓電極表面結(jié)垢的平均厚度。

圖9 二重閥塔S型主水路電極結(jié)垢厚度分布Fig.9 Thickness distribution of deposition on grading electrodes in S-type cooling circuit of double valve tower

從電極位置上看，低壓和高壓二重閥塔中主水路電極結(jié)垢厚度的分布存在一定差異：低壓閥塔頂層及底層附近電極結(jié)垢程度均十分嚴(yán)重，兩處結(jié)垢平均厚度分別約為0.49 mm和0.34 mm；而高壓閥塔中則只有頂層附近電極出現(xiàn)了較厚的結(jié)垢，平均結(jié)垢厚度約為0.39 mm，底層附近電極結(jié)垢厚度則小于0.1 mm。但是，從電極電位來(lái)看，無(wú)論低壓閥塔還是高壓閥塔，表面結(jié)垢最為明顯的均壓電極均位于二重閥塔的高電位處，這一規(guī)律與四重閥塔螺旋型主冷卻水路中的結(jié)垢分布十分相似。

同樣利用軟件仿真對(duì)伊敏站II(-500 kV)低壓閥塔一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)2條主冷卻水路中電極電流的直流分量進(jìn)行了計(jì)算，并與電極結(jié)垢厚度的分布進(jìn)行了比較，結(jié)果如圖10所示。

圖10 二重閥塔S型主水路電極電流直流分量與結(jié)垢厚度Fig.10 DC component of electric current and deposition thickness of grading electrodes in s-type cooling water way of double valve tower

從圖10可以看到，二重閥塔S型主水路中電極結(jié)垢厚度的大小與電極電流的直流分量具有很強(qiáng)的相關(guān)性。電極表面陽(yáng)極電流方向(即由電極流向冷卻水方向)直流分量越大，其表面結(jié)垢程度則越明顯。

2 換流閥組件內(nèi)水路電極結(jié)垢的分布規(guī)律

換流閥組件中，并聯(lián)型冷卻水路是工程中應(yīng)用最為廣泛的內(nèi)冷卻結(jié)構(gòu)之一。為了研究閥組件內(nèi)并聯(lián)冷卻水路中均壓電極表面結(jié)垢厚度的分布規(guī)律，本文現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量并統(tǒng)計(jì)了寶雞和德陽(yáng)±500 kV換流站中極Ⅰ和極Ⅱ閥廳8座四重閥塔內(nèi)(寶雞站6座，德陽(yáng)站2座)閥組件內(nèi)水路中共計(jì)768支均壓電極(96支/閥塔)的結(jié)垢厚度。換流閥組件內(nèi)電極結(jié)垢厚度的測(cè)量方法與閥塔主水路一致，如圖3所示。

參與結(jié)垢情況統(tǒng)計(jì)的換流閥組件內(nèi)冷卻水路結(jié)構(gòu)如圖11所示。每個(gè)換流閥組件包含左右對(duì)稱的2個(gè)閥段，閥段內(nèi)冷卻水路由2根匯流水管和若干對(duì)支流水管(由散熱器數(shù)量決定，通常為14—15對(duì))構(gòu)成，E1—E8為安裝在匯流管端部的8支鉑制針形均壓電極，每支電極與閥段首末兩端距離最近的金屬散熱器相連以使兩者電位相同。

圖11 閥組件內(nèi)并聯(lián)型冷卻水路結(jié)構(gòu)及均壓電極布置Fig.11 Structure of parallel connected cooling circuit and layout of grading electrodes inside converter module

由圖11可以看出，同一個(gè)閥組件中的8支均壓電極中，不存在2枚電極在電壓極性、水流方向和水流速度3個(gè)因素上均相同的情形。為增大統(tǒng)計(jì)樣本容量，將極Ⅰ和極Ⅱ閥廳中不同閥組件內(nèi)處于相同或近似相同環(huán)境中的電極進(jìn)行歸一化處理，為此將任一閥組件內(nèi)8處電極按圖12所示規(guī)則重新編號(hào)。圖12中箭頭所示方向?yàn)樗鞣较蚣傲魉?，水流方向與晶閘管承受電壓方向相同時(shí)為順電場(chǎng)方向，反之為逆電場(chǎng)方向；水流速度從閥組件中間(靠近分水管處，三箭頭)向兩端(靠近電抗器，單箭頭)逐步減小。

圖12 閥組件內(nèi)并聯(lián)型冷卻水路均壓電極編號(hào)Fig.12 Renumeration of grading electrodes in parallel connected cooling circuit inside converter module

由于寶雞換流站中換流閥的工作狀態(tài)以整流為主，所以晶閘管兩端主要承受反向電壓，即晶閘管極性與其所承受電壓直流分量相反；而德陽(yáng)換流站中換流閥的工作狀態(tài)以逆變?yōu)橹?，所以晶閘管兩端主要承受正向電壓，即晶閘管極性與其受承受電壓直流分量相同。以寶雞換流站為例，1號(hào)與3號(hào)電極組所處水路中，可將電壓極性、水流方向和水流速度3個(gè)因素描述為水從負(fù)極流向正極，流速減小；2號(hào)與4號(hào)電極組所處水路為水從正極流向負(fù)極，流速增加；5號(hào)與7號(hào)電極組所處水路為水從正極流向負(fù)極，流速減?。?號(hào)與8號(hào)電極組所處水路為水從負(fù)極流向正極，流速增加。以下從若干電極組對(duì)比和電壓極性(高、低電位分別為正、負(fù)極)、水流方向(順、逆電場(chǎng)方向)以及水流速度(靠近閥組件中間為快速，兩邊為慢速)3個(gè)因素對(duì)結(jié)垢厚度的影響進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

1)電壓極性

同一換流閥組件均壓電極中，滿足水流速度和流向相同，但電壓極性不同的有4組電極，即“1號(hào)/8號(hào)”、“2號(hào)/7號(hào)”、“5號(hào)/4號(hào)”和“6號(hào)/3號(hào)”，對(duì)比統(tǒng)計(jì)寶雞和德陽(yáng)換流站全部電極測(cè)量的結(jié)垢厚度，得到如表1所示的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。表1中，“正極厚”表示位于高電位處電極結(jié)垢厚度大于或等于低電位處的電極組所占之比例；反之，“負(fù)極厚”表示位于高電位處電極結(jié)垢厚度小于低電位處的電極組所占之比例。

表1 電壓極性與電極結(jié)垢厚度關(guān)系的統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistical table of relations between electric voltage polarity and thickness of deposition on grading electrodes

從表1中可以看出，正、負(fù)電極結(jié)垢情況有明顯的差異：從分布比例來(lái)看，寶雞換流站和德陽(yáng)換流站中“正極厚”所占比例均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于“負(fù)極厚”，寶雞站極Ⅰ和極Ⅱ閥廳6座閥塔中“正極厚”的情況高達(dá)85.83%，德陽(yáng)站則高達(dá)98.96%；從結(jié)垢厚度來(lái)看，寶雞換流站中正極處的均壓電極結(jié)垢厚度約為負(fù)極處的3.1倍，德陽(yáng)換流站中正極處的均壓電極厚度約為負(fù)極的7.1倍。表1統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，電壓極性對(duì)電極結(jié)垢厚度的影響十分顯著，正極處均壓電極比負(fù)極處更易結(jié)垢，在水流方向和水流速度相同的情況下，寶雞換流站和德陽(yáng)換流站統(tǒng)計(jì)得到電壓極性這一因素能使正、負(fù)電極的結(jié)垢厚度分別存在3倍和7倍左右的差異。根據(jù)這一現(xiàn)象推測(cè)，致垢粒子(或離子)在冷卻水中主要呈負(fù)極性。

2)水流方向

滿足電壓極性和水流速度相同，但內(nèi)冷卻水流方向不同有4組電極，即“1號(hào)/2號(hào)”、“6號(hào)/5號(hào)”、“8號(hào)/7號(hào)”和“3號(hào)/4號(hào)”，統(tǒng)計(jì)對(duì)比寶雞和德陽(yáng)換流站中全部電極測(cè)量的結(jié)垢厚度，得到表2所示的結(jié)果。

表2中，“逆電場(chǎng)厚”表示位于水流方向與電場(chǎng)方向相逆水路中的電極結(jié)垢厚度大于或等于2方向相同水路中的電極組所占之比例；反之，“順電場(chǎng)厚”表示位于水流方向與電場(chǎng)方向相同水路中的電極結(jié)垢厚度大于2方向相逆水路中的電極組所占之比例。

表2 水流方向與電極結(jié)垢厚度關(guān)系的統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistical table of relations between flow direction and thickness of deposition on grading electrodes

從表2中發(fā)現(xiàn)，寶雞和德陽(yáng)換流站中被統(tǒng)計(jì)的電極組中，“逆電場(chǎng)厚”和“順電場(chǎng)厚”的情況幾乎各占一半；從電極結(jié)垢厚度來(lái)看，寶雞換流站中逆電場(chǎng)和順電場(chǎng)的電極結(jié)垢厚度之比平均為0.31：0.30，兩處電極厚度差異不足3%，德陽(yáng)換流站中水流方向逆、順電場(chǎng)情況下電極結(jié)垢厚度均約為0.32 mm，差異不足1%。

因此，就寶雞和德陽(yáng)兩換流站的結(jié)垢數(shù)據(jù)來(lái)看，初步認(rèn)為水流方向?qū)﹄姌O結(jié)垢程度幾乎沒(méi)有影響或影響甚微，這也就意味著電極的結(jié)垢厚度并不因其安裝位置靠近水管的進(jìn)水口或出水口而產(chǎn)生差異。

3)水流速度

同一換流閥組件均壓電極中，滿足電壓極性和水流方向相同，但水流速度不同有4組電極，即“1號(hào)/6號(hào)”、“2號(hào)/5號(hào)”、“8號(hào)/3號(hào)”和“7號(hào)/4號(hào)”，對(duì)比統(tǒng)計(jì)寶雞和德陽(yáng)換流站全部電極測(cè)量的結(jié)垢厚度，得到如表3所示的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。表3中，“流速慢厚”表示水流速度慢處(即遠(yuǎn)離主水管處)電極結(jié)垢厚度大于或等于水流速度快處(即靠近主水管處)的電極組所占之比例，“流速快厚”表示水流速度快處電極結(jié)垢厚度大于水流速度慢處的電極組所占之比例。

表3 水流速度與電極結(jié)垢厚度關(guān)系的統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Relations between flow velocity and thickness of deposition on grading electrodes

從表3來(lái)看，水流速度對(duì)電極結(jié)垢厚度分布的影響較小，其他環(huán)境條件相同的情況下，高、低流速處電極結(jié)垢的平均厚度差異在10%之內(nèi)。

從寶雞和德陽(yáng)±500 kV換流站閥組件內(nèi)冷卻水路中768支均壓電極的結(jié)垢厚度數(shù)據(jù)來(lái)看，相對(duì)電壓極性是影響電極表面結(jié)垢厚度的主要環(huán)境因素。在其他環(huán)境條件(包括內(nèi)冷卻水流速和流向)相同的情況下，同一閥組件內(nèi)高電位處(即正極處)均壓電極的表面結(jié)垢厚度明顯大于低電位處(即負(fù)極處)均壓電極的結(jié)垢厚度。

3 電極電流與結(jié)垢厚度關(guān)系的仿真驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證電場(chǎng)因素對(duì)均壓電極結(jié)垢程度的影響，仿真計(jì)算分析了針形均壓電極表面的電場(chǎng)分布情況，如圖13所示。

圖13 針形電極表面電場(chǎng)及結(jié)垢厚度分布Fig.13 Distribution of surface electric field and thickness of deposition on pin-type grading electrode

圖13(a)中，電極針端部電場(chǎng)最為集中，在電極電流為2 mA的情況下，電極端部的最大場(chǎng)強(qiáng)高達(dá)834 V/mm，而隨著向電極根部的逐漸靠近，電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)明顯的下降。圖13(b)給出了實(shí)際針形均壓電極表面結(jié)垢照片。對(duì)比圖13可以看出，針形均壓電極表面結(jié)垢在形態(tài)上與電極表面電場(chǎng)的分布情況十分相似：電極端部電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)最高，該處電極結(jié)垢厚度也最大；而電極根部電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)較小，該處結(jié)垢厚度也明顯小于端部結(jié)垢。

進(jìn)一步地，利用仿真計(jì)算，將四重閥塔螺旋型主水路中均壓電極表面陽(yáng)極電流的密度分布與實(shí)際的電極結(jié)垢進(jìn)行比較，如圖14所示。

圖14 針形電極表面電流密度及結(jié)垢厚度分布Fig.14 Distribution of electric current density and thickness of deposition on pin-type grading electrode

由圖14可以看到，結(jié)垢物在電極表面的厚度分布與電極電流的密度分布情況具有較為明顯的一致性。在電極電流為2 mA的情況下，電極端部電流密度高達(dá)91.3 μA/mm2，遠(yuǎn)高于電極表面平均電流密度為13.6 μA/mm2，相應(yīng)地，圖14(b)中電極端部局部結(jié)垢厚度約為0.9 mm，明顯大于該電極表面結(jié)垢的平均厚度為0.31 mm。

此外，針對(duì)二重閥塔頂部鋼梁附近主水路中安裝的三電極均壓系統(tǒng)，通過(guò)軟件仿真對(duì)其表面電流的分布情況進(jìn)行了計(jì)算，如圖15所示。由圖15可見(jiàn)，三電極均壓系統(tǒng)中電極結(jié)垢的形狀與電極電流的密度分布情況具有較為明顯的一致性。電極端部和根部附近電流密度較大，該2處結(jié)垢程度最為明顯(針尖部分由于嵌入主水路管壁內(nèi)部而幾乎不會(huì)吸附結(jié)垢)；三電極交匯區(qū)域電流密度最小，該處結(jié)垢厚度也最小，甚至該處附近電極表面直接裸露于內(nèi)冷卻水中。

圖15 三電極系統(tǒng)電極表面電流密度及結(jié)垢厚度分布Fig.15 Distribution of surface electric current density and thickness of deposition on triple grading electrodes

從以上仿真計(jì)算結(jié)果可以看出，換流閥內(nèi)冷卻系統(tǒng)中針形均壓電極表面結(jié)垢厚度的分布情況主要取決于其表面電流的分布情況。結(jié)合閥塔主水路和閥組件內(nèi)水路電極結(jié)垢的分布規(guī)律，實(shí)際換流閥內(nèi)冷卻系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，結(jié)垢現(xiàn)象集中出現(xiàn)在水路高電位處的均壓電極，且電極表面結(jié)垢厚度的大小與電極表面陽(yáng)極電流方向(即由電極流向冷卻水方向)電流直流分量的大小呈正相關(guān)。

4 結(jié)論

本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和仿真分析驗(yàn)證，研究了典型結(jié)構(gòu)換流閥內(nèi)冷卻系統(tǒng)中均壓電極結(jié)垢厚度的分布規(guī)律，得出如下結(jié)論。

1)換流閥塔主冷卻水路中，結(jié)垢程度最為嚴(yán)重的均壓電極位于閥塔頂部或底部的最高電位處，電極表面陽(yáng)極方向直流分量越大，其表面結(jié)垢程度則越明顯。

2)換流閥組件內(nèi)冷卻水路中電極的相對(duì)電壓極性是影響其結(jié)垢程度的主要因素，同一換流閥內(nèi)結(jié)垢現(xiàn)象集中出現(xiàn)在陽(yáng)極電極表面，而內(nèi)冷卻水流速和流向?qū)Y(jié)垢程度的影響甚微。

3)針形均壓電極表面結(jié)垢的形態(tài)與其表面電流密度的分布情況基本一致，同一電極不同部位結(jié)垢厚度的大小與該處陽(yáng)極方向電流密度的大小呈正相關(guān)。