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的關鍵設備，其內部冷卻管路在換流閥塔內起著散熱作用[1-3]。換流閥塔內部水冷管道由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率，換流閥冷卻水的電導率維持在0.1～0.5 μS/cm，因此冷卻水會存在一定的漏電電流，漏電電流會導致散熱器的腐蝕以及電極的結垢[4-5]。在換流閥塔冷卻管路內設置水電極的主要作用包括：吸附水中的離子及樹脂雜質；釋放水中的漏電電流，減小進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]等人對長期運行(10年)后的換流閥水電極進行拆卸，發現水電極存在嚴重的結垢現象，垢的主要成分為鋁散熱器腐蝕的鋁氧化物。Wang等人對國內部分換流站換流閥水電極結垢情況進行了現場調研，結合仿真分析發現：泄漏電流越大，電極結垢越嚴重；對于同一電極上的結垢情況，電流密度越大，結垢越厚；垢的主要成分為鋁氧化物，為散熱器腐蝕產物。

換流閥塔散熱器進出口有電位差，存在一定的漏電流，漏電流會對散熱器進出口進行腐蝕。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象，對換流閥是個重大的安全隱患。中外學者對如何降低水電極結垢、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行計算。通過調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，對散熱器的腐蝕進行了計算研究。最后，通過合理的散熱器結構設計以達到降低散熱器腐蝕的效果。

1 腐蝕機理

1.1 Faraday電解第一定律

金屬在電解質溶液中會發生電化學腐蝕，其電化學腐蝕量滿足Faraday電解第一定律，即：

式中，W為金屬在t時間內的腐蝕量，單位為g；M為金屬原子量；Q為t時間內流過金屬的電量，單 位 為C；F為Faraday常 數，值 為96 485 C/mol；n為氧化過程中金屬失去的價電子數；k為金屬的電化當量，單位為g/C，其中，Al的電化當量為0.093 13 mg/C，Fe的電化當量為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，電化當量k為常數，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，金屬腐蝕的研究主要是對漏電流I的研究。

1.2 電極腐蝕機理

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

1.2.2 鋁電極

鋁電極在電解質溶液中也會因為漏電流作用而發生分解。

1.2.3 鉑電極

Pt為惰性電極，其本身不參與電化學反應，但漏電流下會發生電解水反應。

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。閥塔結構布置為背靠背結構，分為3層結構，每層6個閥段組成。單個閥段設有7個模組，模組用銅排串聯連接，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為水的電導率，單位為μS/cm；A為水管的內橫截面面積，單位為cm2；l為水管的長度，單位為cm。

換流閥運行時水的電導率始終保持在0.1～0.5 μS/cm，按照最嚴酷的環境考慮，取水的電導率為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

模組分為進銅排和出銅排，進出銅排相差電位為1.61 kV，而模組散熱器與進銅排等電位，閥段最左邊模組進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，進而通過優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優化方式一的基礎上進一步調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一步大幅降低。

（2）水電極與水接頭距離為0.1 mm。進一步調整水電極和水接頭之間的距離，由10 mm調整為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，電極不存在腐蝕，漏電流的大小對水電極腐蝕不產生不影響。

3.3.2 散熱器腐蝕計算及結構優化

根據公式(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節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，但為了更好地保護散熱器不被腐蝕，本研究也對散熱器做了特殊的設計，在散熱器進出口位置鑲嵌不銹鋼電極，用來代替鋁散熱器的腐蝕。不銹鋼電極的質量為20.7 g，漏電流為0.007 45 μA，根據公式(1)，不銹鋼電極可供腐蝕10 120年，遠遠滿足使用要求。

4 結論

本研究為解決換流閥領域散熱器腐蝕問題，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行計算，通過調整水電極的布置、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，相關結論如下：

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