換流閥散熱器腐蝕研究

李 楊，姚 寧，吳繼平，張廣泰，孟 佳，董陽華，楊 銳

(1.常州博瑞電力自動化設(shè)備有限公司，江蘇 常州 213022;2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211100)

0 引言

換流閥塔是換流閥系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其內(nèi)部冷卻管路在換流閥塔內(nèi)起著散熱作用[1-3]。換流閥塔內(nèi)部水冷管道由PVDF管道和FEP管組成，各管道之間存在電位差，冷卻水具有一定的電導(dǎo)率，換流閥冷卻水的電導(dǎo)率維持在0.1～0.5 μS/cm，因此冷卻水會存在一定的漏電電流，漏電電流會導(dǎo)致散熱器的腐蝕以及電極的結(jié)垢[4-5]。在換流閥塔冷卻管路內(nèi)設(shè)置水電極的主要作用包括：吸附水中的離子及樹脂雜質(zhì)；釋放水中的漏電電流，減小進(jìn)入散熱器的漏電電流；鉗制水中的電位，使水管中的電位均勻變化[6]。Jackson[3]等人對長期運(yùn)行(10年)后的換流閥水電極進(jìn)行拆卸，發(fā)現(xiàn)水電極存在嚴(yán)重的結(jié)垢現(xiàn)象，垢的主要成分為鋁散熱器腐蝕的鋁氧化物。Wang等人對國內(nèi)部分換流站換流閥水電極結(jié)垢情況進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)研，結(jié)合仿真分析發(fā)現(xiàn)：泄漏電流越大，電極結(jié)垢越嚴(yán)重；對于同一電極上的結(jié)垢情況，電流密度越大，結(jié)垢越厚；垢的主要成分為鋁氧化物，為散熱器腐蝕產(chǎn)物。

換流閥塔散熱器進(jìn)出口有電位差，存在一定的漏電流，漏電流會對散熱器進(jìn)出口進(jìn)行腐蝕。散熱器的腐蝕先從剛與水接觸的螺紋處開始腐蝕，螺紋被腐蝕了，散熱器就會存在漏水現(xiàn)象，對換流閥是個重大的安全隱患。中外學(xué)者對如何降低水電極結(jié)垢、降低散熱器腐蝕等問題研究較少。為解決換流閥塔模組散熱器電化學(xué)腐蝕問題，下面首先以閥塔層間水路為研究對象，將水路物理模型等效為電路形式，借用Multisim軟件對電路中支路漏電流進(jìn)行計算。通過調(diào)整水電極等電位方式、水電極的布置位置等仿真水路各支路的漏電流。其次，對散熱器的腐蝕進(jìn)行了計算研究。最后，通過合理的散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計以達(dá)到降低散熱器腐蝕的效果。

1 腐蝕機(jī)理

1.1 Faraday電解第一定律

金屬在電解質(zhì)溶液中會發(fā)生電化學(xué)腐蝕，其電化學(xué)腐蝕量滿足Faraday電解第一定律，即：

式中，W為金屬在t時間內(nèi)的腐蝕量，單位為g；M為金屬原子量；Q為t時間內(nèi)流過金屬的電量，單 位 為C；F為Faraday常 數(shù)，值 為96 485 C/mol；n為氧化過程中金屬失去的價電子數(shù)；k為金屬的電化當(dāng)量，單位為g/C，其中，Al的電化當(dāng)量為0.093 13 mg/C，F(xiàn)e的電化當(dāng)量為0.289 3 mg/C；I為漏電電流，單位為A；t為時間，單位為s。

從公式(1)中可以看出，電化當(dāng)量k為常數(shù)，時間t一定，漏電流I越大，金屬腐蝕程度越厲害。漏電流I為金屬腐蝕程度的一個衡量指標(biāo)，金屬腐蝕的研究主要是對漏電流I的研究。

1.2 電極腐蝕機(jī)理

1.2.1 不銹鋼電極不銹鋼電極在電解質(zhì)溶液中會因漏電流而發(fā)生分解。其中，不銹鋼電極中最易發(fā)生電化學(xué)分解的為Fe，且Fe含量最多(占比70 %以上)。

1.2.2 鋁電極

鋁電極在電解質(zhì)溶液中也會因為漏電流作用而發(fā)生分解。

1.2.3 鉑電極

Pt為惰性電極，其本身不參與電化學(xué)反應(yīng)，但漏電流下會發(fā)生電解水反應(yīng)。

2 換流閥水路建模及漏電流計算

2.1 散熱器水路的等效電阻模型

南瑞繼保公司某工程換流閥塔，換流閥電壓等級為±90 kV，容量為20 MW，單套換流閥6個橋臂，每個橋臂1個閥塔，每個閥塔123個模組(其中，11個冗余，3個空缺)，單個橋臂最大承受180kV電壓，因此，可以計算每個模組承受電壓為180/112=1.61 kV。閥塔結(jié)構(gòu)布置為背靠背結(jié)構(gòu)，分為3層結(jié)構(gòu)，每層6個閥段組成。單個閥段設(shè)有7個模組，模組用銅排串聯(lián)連接，單個模組電壓為1.61 kV (單個模組左銅排和右銅排相差1.61 kV電壓)。第一個模組的左銅排搭接在閥段左框架上，最后一個模組的右銅排搭接在閥段右框架上，閥段上配有水路供模組散熱器散熱。

以換流閥層間水路為研究對象，建立水路模型。水路模型由PVDF水管(一根)、水電極(2個，設(shè)置在水管兩端)、水接頭(7個PVDF水管上，7個在散熱器上，散熱器上的不做研究)、FEP管(7根)以及散熱器(7個)組成。其中PVDF水管兩端的水電極分別于兩端框架等電位，散熱器與對應(yīng)模組左銅排等電位。

把水電極與鄰近水接頭、PVDF水管上鄰近兩個水接頭以及FEP管(連接PVDF水管和散熱器)內(nèi)的水看做一段段小電阻，研究各段水路的漏電流，水路中各段電阻的計算如下[6]：

式中，R為水的電阻，單位為Ω；ρ為水的電阻率；σ為水的電導(dǎo)率，單位為μS/cm；A為水管的內(nèi)橫截面面積，單位為cm2；l為水管的長度，單位為cm。

換流閥運(yùn)行時水的電導(dǎo)率始終保持在0.1～0.5 μS/cm，按照最嚴(yán)酷的環(huán)境考慮，取水的電導(dǎo)率為0.5 μS/cm，由公式(2)計算各段水路電阻如下表1所示。

表1 水路參數(shù)

模組分為進(jìn)銅排和出銅排，進(jìn)出銅排相差電位為1.61 kV，而模組散熱器與進(jìn)銅排等電位，閥段最左邊模組進(jìn)銅排與最左邊閥段框架等電位，閥段最右邊模組出銅排與最右邊閥段框架等電位，電位分布如表2所示。表2中1～9分別代表左邊水電極、7個散熱器(從左至右)以及右邊水電極的電位。

表2 水電極及散熱器對應(yīng)電位 kV

2.2 等效電路及漏電流計算

利用Multisim電路仿真軟件建立電路模型，如圖1所示，即為圖1水路物理模型的一個等效電路圖。圖1中，R0和R7分別代表兩端水電極與鄰近水接頭的水路電阻，R0=R7。R1～R6為PVDF水管上相鄰兩個水接頭之間的水路電阻，阻值相等。R8～R14為FEP管的水路電阻，阻值相等。V1和V8為兩端水電極的電位，V2～V7為散熱器電位，具體電位如表2所示。

圖1 等效電路

將散熱器電位等效成電源的形式，模組散熱器的電位按照最大值考慮(實際運(yùn)行時，模組散熱器的電位是隨IGBT特性不斷變化的)，考量模組散熱器一直承受最大電位下漏電流以及散熱器的腐蝕情況，進(jìn)而通過優(yōu)化措施降低對散熱器的腐蝕，將所有散熱器的對地電位等效成電源形式便于電路的計算。

給圖1中的等效電路各元件賦值后，在各支路添加探針即可計算出等效電路中各支路漏電電流。由計算結(jié)果可知，水電極處(R0和R7處)的漏電流最大為286 μA，散熱器支路(R8～R14處)的最大漏電流為5.78 μA。

3 電極優(yōu)化及散熱器腐蝕計算

3.1 等電位方式對漏電電流的影響

改變等電位方式研究各支路漏電流變化，兩邊水電極與兩邊框架等電位改為與鄰近模組等電位，V1=V2，V8=V9，計算各支路的漏電流。由計算結(jié)果可知，水電極處的漏電流最大為231 μA，散熱器支路的最大漏電流為1.04 μA。從仿真結(jié)果可以看出，水電極支路的最大漏電流由286 μA降低為231 μA，散熱器支路的最大漏電流由5.78 μA降低到1.04 μA，散熱器支路漏電流得到大幅降低。

3.2 水電極與水接頭的距離對漏電電流的影響

(1) 水電極與水接頭距離由50 mm改為10 mm。在3.1優(yōu)化方式一的基礎(chǔ)上進(jìn)一步調(diào)整水電極和水接頭之間的距離，將距離由50 mm改為10 mm，計算各支路的漏電流。由計算結(jié)果可知，水電極處的漏電流最大為242 μA，散熱器支路的最大漏電流為0.218 μA。從仿真結(jié)果可以看出，水電極支路的最大漏電流由231 μA增長為242 μA，水電極支路的漏電流增大，但增長幅度較小，散熱器支路的最大漏電流由1.04 μA降低到了0.218 μA，散熱器支路的漏電流進(jìn)一步大幅降低。

（2）水電極與水接頭距離為0.1 mm。進(jìn)一步調(diào)整水電極和水接頭之間的距離，由10 mm調(diào)整為0.1 mm，即水電極與水接頭同截面布置，計算各支路的漏電流。由計算結(jié)果可知，水電極處的漏電流最大為245 μA，散熱器支路的最大漏電流為0.007 45 μA。從仿真結(jié)果可以看出，散熱器支路的漏電流降低幅度較大，漏電流減少，散熱器的腐蝕程度也會大幅降低。

3.3 電極及散熱器腐蝕計算

3.3.1 水電極腐蝕計算

水電極采用不銹鋼電極表面鍍鉑，不銹鋼電極表面完全由鉑覆蓋。鉑電極為惰性電極，本身不參與反應(yīng)，電極不存在腐蝕，漏電流的大小對水電極腐蝕不產(chǎn)生不影響。

3.3.2 散熱器腐蝕計算及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)公式(1)可以計算出上述4種情況下，30年后散熱器最大腐蝕量如表3所示。

表3 散熱器最大漏電流及30年散熱器腐蝕量

由表3可以看出，優(yōu)化后的水電極布置，使散熱器的腐蝕程度得到大幅的降低，由0.51 g降低到0.000 7 g，相當(dāng)于體積從200 mm3降低到0.26 mm3。從而可知，通過改變水電極等電位方式以及調(diào)節(jié)水電極與水接頭之間的距離可以大幅改善鋁散熱器的腐蝕。

盡管優(yōu)化后的水電極布置對散熱器的腐蝕程度較輕，但為了更好地保護(hù)散熱器不被腐蝕，本研究也對散熱器做了特殊的設(shè)計，在散熱器進(jìn)出口位置鑲嵌不銹鋼電極，用來代替鋁散熱器的腐蝕。不銹鋼電極的質(zhì)量為20.7 g，漏電流為0.007 45 μA，根據(jù)公式(1)，不銹鋼電極可供腐蝕10 120年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足使用要求。

4 結(jié)論

本研究為解決換流閥領(lǐng)域散熱器腐蝕問題，以換流閥塔層間水路為研究對象，將水路物理模型等效為電路圖形式，借用Multisim軟件對電路中各支路漏電流進(jìn)行計算，通過調(diào)整水電極的布置、等電位方式以及散熱器鑲嵌不銹鋼電極來控制降低散熱器的腐蝕，相關(guān)結(jié)論如下：

(1) 水電極等電位方式對散熱器腐蝕影響較大，將水電極的等電位方式由兩端框架改為鄰近模組，散熱器支路的漏電流會大幅降低，散熱器的腐蝕量也會大幅降低。

(2) 水電極與水接頭之間的距離對散熱器的腐蝕影響較大，減少水電極與水接頭之間的距離可以大幅降低散熱器支路的漏電流，減少散熱器的腐蝕，其中，水電極與水接頭同截面布置時，散熱器的腐蝕程度最小。

(3) 采用散熱器進(jìn)出口鑲嵌不銹鋼電極可以代替散熱器的腐蝕，從而達(dá)到保護(hù)散熱器的效果。