張朝輝，王行飛，王晨星，梁家豪，王晨濤，趙瑞雪，劉學(xué)忠，焦秀英

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

0 引言

高壓直流輸電換流閥在運(yùn)行時(shí)，內(nèi)冷卻系統(tǒng)通過去離子水冷卻介質(zhì)與晶閘管等換流元件進(jìn)行熱量交換，將換流閥組件內(nèi)電氣元件的工作溫度維持在正常范圍[1 - 5]。工程中，為了避免內(nèi)冷卻水路電流引發(fā)散熱器等金屬元件的腐蝕，通常在水路特定位置安裝有鉑制針形均壓電極。原則上，針形均壓電極將冷卻水路與換流閥組件內(nèi)晶閘管及散熱器的電位分布保持一致，進(jìn)而避免了水路與金屬元件間電位差產(chǎn)生的泄漏電流[6 - 8]。然而，該設(shè)計(jì)引發(fā)了新的問題：閥內(nèi)冷系統(tǒng)在長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，針形均壓電極表面出現(xiàn)了附著氫氧化鋁結(jié)垢的現(xiàn)象，電極結(jié)垢在脫落后隨循環(huán)冷卻水移動(dòng)并引發(fā)水路堵塞、以及電極不銹鋼底座腐蝕產(chǎn)生水路漏水等事故的發(fā)生[9 - 14]。自從2006年天廣高壓直流輸電工程首次發(fā)生因換流閥內(nèi)冷卻系統(tǒng)散熱失靈并導(dǎo)致直流系統(tǒng)被迫停運(yùn)的事故以來，電極結(jié)垢問題引發(fā)的故障在各直流工程中頻繁出現(xiàn)。截至2012年，國家電網(wǎng)公司中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)德陽、寶雞、伊敏、興仁等換流站發(fā)生運(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)垢的問題導(dǎo)致，占比在70%以上[15 - 20]。因此，針對(duì)預(yù)防和減緩電極結(jié)垢問題的對(duì)策研究對(duì)于高壓直流輸電工程的安全可靠運(yùn)行具有重要的意義。

目前，工程中主要通過安裝了陰陽離子交換樹脂的冷卻水處理支路作為去除雜質(zhì)離子進(jìn)而減少電極結(jié)垢的主要手段，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明離子交換樹脂對(duì)內(nèi)冷卻水中雜質(zhì)離子清除量通?？蛇_(dá)85%左右[21 - 22]。此外，換流閥內(nèi)冷卻系統(tǒng)的定期停電檢查和維護(hù)也是工程中處理結(jié)垢問題的主要手段之一?！禗L/T 351—2010 換流閥檢修導(dǎo)則》中將冷卻系統(tǒng)的檢查作為換流閥例行檢修的項(xiàng)目之一，并規(guī)定該項(xiàng)目檢修周期為1年[23]。同時(shí)，該標(biāo)準(zhǔn)將均壓電極檢查作為閥內(nèi)冷卻系統(tǒng)的檢修項(xiàng)目之一，并規(guī)定每5年應(yīng)隨機(jī)抽取2%的均壓電極進(jìn)行檢查?！禗L/T 1716—2017 高壓直流輸電換流閥內(nèi)冷卻水運(yùn)行管理導(dǎo)則》中針對(duì)內(nèi)冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行提出了更為全面而詳細(xì)的要求，并將均壓電極的抽檢周期由5年縮短為2年[24]。王遠(yuǎn)游等人針對(duì)天廣直流閥內(nèi)冷卻系統(tǒng)均壓結(jié)垢問題對(duì)系統(tǒng)各元件材質(zhì)與水質(zhì)進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)合沉積物化學(xué)成分分析，認(rèn)為電極結(jié)垢源自于鋁制散熱器的腐蝕反應(yīng)[15 - 17]。另外，Immo Weber等人在弱酸性和弱堿性環(huán)境下分別進(jìn)行了結(jié)垢試驗(yàn)，根據(jù)對(duì)結(jié)垢現(xiàn)象及產(chǎn)物形貌、化學(xué)成分分析，認(rèn)為均壓電極結(jié)垢形成過程本質(zhì)上是基于電解水和酸堿中和兩個(gè)反應(yīng)，此外他們提出了在內(nèi)冷卻水處理支路加裝CO2補(bǔ)氣及其含量監(jiān)測(cè)設(shè)備以抑制或減緩均壓電極結(jié)垢的方案，該方案目前正在試驗(yàn)驗(yàn)證階段[25]。然而，現(xiàn)有的各種冷卻水處理方法和設(shè)備仍不能完全杜絕電極結(jié)垢的產(chǎn)生和脫落，尤其陰陽離子交換樹脂對(duì)雜質(zhì)離子的總吸附量存在上限，一味加大安裝和使用量反而會(huì)增加樹脂破碎進(jìn)入冷卻水并改變水環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)；而工程中定期取出均壓電極進(jìn)行表面除垢處理的方法顯然不能從根本上抑制和減少結(jié)垢的形成。

針對(duì)換流閥內(nèi)冷卻系統(tǒng)中鉑制針形均壓電極表面易形成結(jié)垢，以及結(jié)垢易脫落并引發(fā)水路堵塞甚至散熱失靈等故障的問題，本文研制了一種新型的環(huán)形均壓電極，通過模擬試驗(yàn)驗(yàn)證了環(huán)形均壓電極在換流閥內(nèi)冷卻系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性，并提出了環(huán)形均壓電極替代針形電極的實(shí)施方案。

1 鉑制針形均壓電極的設(shè)計(jì)缺陷

目前，工程中換流閥內(nèi)冷卻系統(tǒng)中水路均壓電極通常仍為沿用了約20年的針形設(shè)計(jì)，如圖1(a)所示。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，該種針形均壓電極的鉑制針部完全浸入內(nèi)冷卻水中，電極不銹鋼底座與相鄰晶閘管閥片由導(dǎo)線相連，通過消除或降低電極與金屬散熱器之間支流管水路中的電位差，能夠起到限制水路泄漏電流、在一定程度上減緩水冷部件腐蝕或老化的效果，針形均壓電極在閥組件內(nèi)的安裝如圖1(b)所示。然而，該種鉑制針形均壓電極在工程實(shí)際中的應(yīng)用也存在一些問題及缺陷，具體如下。

1)長(zhǎng)期運(yùn)行中，均壓電極表面因吸附水中雜質(zhì)離子而形成結(jié)垢層，由于鉑針表面積較小，其表面易形成厚度較大、包覆完整的棒狀結(jié)垢，如圖1(c)所示。仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)：針形電極表面電場(chǎng)分布極為不均，電極針端部電場(chǎng)最為集中，隨著與電極根部逐漸靠近，電場(chǎng)強(qiáng)度明顯下降，如圖1(d)所示。對(duì)比圖1(b)和圖1(c)可以看出，針形電極表面結(jié)垢形態(tài)與其表面電場(chǎng)分布情況十分相似，結(jié)垢厚度與電場(chǎng)強(qiáng)度存在明顯的正相關(guān)性。該結(jié)垢不僅將限制均壓電極對(duì)水路電位的鉗制作用，更有較高的脫落風(fēng)險(xiǎn)，并極有可能在冷卻水循環(huán)流動(dòng)下運(yùn)動(dòng)至支流管接頭、散熱器進(jìn)出水口等處堵塞水路，進(jìn)而導(dǎo)致晶閘管閥片散熱不良而燒毀等嚴(yán)重事故。

針形均壓電極不能完全消除電極與相鄰金屬散熱器間支流管水路兩端的電位差?！?00 kV換流閥運(yùn)行時(shí)，仿真計(jì)算得到電極針部的電場(chǎng)分布如圖1(e)所示，可以看到即使在電極表面未出現(xiàn)結(jié)垢的情況下，金屬散熱器與支流水路進(jìn)/出水口處電位差仍最高可達(dá)1.1 kV，進(jìn)而產(chǎn)生水路泄漏電流并可能引發(fā)金屬水冷散熱器腐蝕的問題。

圖1 閥內(nèi)水冷系統(tǒng)鉑制針形均壓電極設(shè)計(jì)及其缺陷Fig.1 Design and defect of platinum pin-type grading electrode in valve water cooling system

2)針形均壓電極的密封圈安裝在不銹鋼底座外螺紋的根部，導(dǎo)致底座與匯流水管管壁間存在寬約0.05 mm的縫隙，縫隙內(nèi)介質(zhì)處于滯留狀態(tài)使得縫隙內(nèi)外存在氧濃差、形成電位差，在氧濃差電池效應(yīng)作用下，不銹鋼底座易發(fā)生縫隙腐蝕。

陽極反應(yīng)：Fe-3e-→Fe3+

陰極反應(yīng)：O2+2H2O+4e-→4OH-

某換流站曾出現(xiàn)因不銹鋼底座嚴(yán)重腐蝕致使電極針部脫落的情況，如圖1(f)所示，從而產(chǎn)生水路漏水等事故。

3)針形均壓電極由于使用金屬鉑作為主要的制造材料，每支的制造成本約為8 000元，而僅單座四重閥塔就需要安裝約96支，極大增加換流閥設(shè)備的工程造價(jià)。

以電泳沉積理論作為依據(jù)，在滿足電極電流全部用于水電解反應(yīng)的前提下，帶電粒子在電極表面發(fā)生沉積反應(yīng)并形成結(jié)垢的過程中，垢質(zhì)沉積的質(zhì)量由式(1)決定。

(1)

式中：m為單位面積垢質(zhì)沉積物的質(zhì)量；iloc為單位面積上通過的電流；t為作用時(shí)間；Zi為粒子的帶電荷數(shù)量；Ci為單位體積溶液內(nèi)所含膠粒的質(zhì)量；ni為單位體積溶液內(nèi)所含膠粒的數(shù)量；e為電子電量1.6×10-19C。

當(dāng)致垢離子的產(chǎn)生和沉積過程到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，可以近似認(rèn)為電極附近反應(yīng)區(qū)域內(nèi)致垢離子的總濃度維持不變，并將該濃度作為電極表面沉積過程的反應(yīng)物濃度。在此前提下，假設(shè)內(nèi)冷水環(huán)境參數(shù)(包括電導(dǎo)率等水質(zhì)參數(shù)和水流速度等流場(chǎng)參數(shù))基本保持恒定，則可對(duì)式(1)作進(jìn)一步簡(jiǎn)化，此時(shí)一般可采用式(2)表示針形電極表面結(jié)垢厚度增長(zhǎng)速度與電流密度的關(guān)系。

(2)

式中：s為單位面積上結(jié)垢層厚度的增加量，即垢質(zhì)厚度；Ccap為帶電膠粒沉積過程的庫倫效率，由致垢離子屬性(帶電量、遷移率及電動(dòng)電勢(shì)ζ等)、反應(yīng)物濃度、流場(chǎng)環(huán)境(如介質(zhì)粘度等)和電極結(jié)構(gòu)等因素共同決定，當(dāng)電泳沉積系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)即在上述環(huán)境參數(shù)維持恒定的條件下，可認(rèn)為Ccap保持為一恒定值；ρ為結(jié)垢物的密度。

由式(1)—(2)可以看出，電極表面結(jié)垢物厚度增長(zhǎng)速度與其電流密度大小呈正比關(guān)系。在流經(jīng)每支電極的電流大小保持不變的前提下，若將針形電極改造成有效面積(與冷卻水接觸的表面)增大10倍以上的環(huán)形電極，電極單位面積的電流密度減少為不足原來的10%，則單位面積結(jié)垢量相較于針形電極能夠減少90%以上。

2 環(huán)形電極替代針形電極的試驗(yàn)研究

本文針對(duì)傳統(tǒng)均壓電極在工程應(yīng)用中的缺陷，提出了一種將鉑制針形電極改進(jìn)為不銹鋼環(huán)形電極的設(shè)計(jì)方案，環(huán)形電極結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。為了驗(yàn)證該種設(shè)計(jì)能否有效地解決鉑制針形電極應(yīng)用中存在的表面易形成較厚結(jié)垢、棒狀結(jié)垢易脫落并堵塞水路以及電極針部分電場(chǎng)分布不均勻?qū)е轮Я鞴芩分写嬖谛孤╇娏鞯葐栴}，進(jìn)行了模擬換流閥內(nèi)冷卻系統(tǒng)環(huán)形電極結(jié)垢試驗(yàn)。

圖2 不銹鋼環(huán)形均壓電極結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of stainless steel ring-type grading electrode

2.1 試驗(yàn)裝置及條件

試驗(yàn)采用透明有機(jī)玻璃制水管模擬內(nèi)冷卻系統(tǒng)匯流管段，并將該試驗(yàn)管段與模擬閥內(nèi)冷系統(tǒng)水路串聯(lián)連接，如圖3所示。在圖3中，試驗(yàn)裝置主要由針形電極結(jié)垢管段和環(huán)形電極結(jié)垢管段兩部分串聯(lián)構(gòu)成，以保證兩段管路的水質(zhì)和流速完全相同。兩管段中分別安裝有2支鉑制針形電極(Ep1、Ep2)和2枚模擬環(huán)形電極(Er1、Er2)，其中模擬環(huán)形電極Er1和Er2材料為316L型不銹鋼。

圖3 模擬環(huán)形電極結(jié)垢試驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Diagram of experimental device for simulated deposition of ring-type electrode

試驗(yàn)采用在實(shí)際模擬閥內(nèi)冷系統(tǒng)中運(yùn)行了600 h后的循環(huán)冷卻水作為初始結(jié)垢用水，初始水中含有約250 μg·L-1的鋁離子和約60 μg·L-1的鐵離子作為致垢雜質(zhì)離子。電極結(jié)垢本質(zhì)上由電解水和酸堿中和兩個(gè)反應(yīng)組成，假設(shè)電解電流全部用于電解水反應(yīng)，在水中鋁離子總含量一定的前提下，由物料守恒原則可知電流施加一定時(shí)間后水中致垢離子便會(huì)全部沉積?？紤]到沉積過程后期由于電極表面被垢層包裹導(dǎo)致沉積速度變慢，經(jīng)計(jì)算將試驗(yàn)總時(shí)間定為240 h，并且認(rèn)為在該時(shí)間內(nèi)冷卻水中致垢離子全部沉積至電極表面。試驗(yàn)中通過高壓直流電源對(duì)針形電極Ep1和Ep2間及環(huán)形電極Er1和Er2間施加電壓，以陽極電流方向(即由電極流向水方向)為電流正方向，檢測(cè)記錄了各電極電流的變化，如圖4所示。由圖4可見，各針形或環(huán)形電極電流大小在持續(xù)240 h試驗(yàn)中基本被維持在4 mA左右，與實(shí)際閥內(nèi)冷系統(tǒng)在晶閘管關(guān)斷時(shí)匯流水路均壓電極的電流大小基本相同。

圖4 模擬結(jié)垢試驗(yàn)中各電極表面電流變化Fig.4 Variation of electric current on each electrode in simulated deposition test

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

模擬試驗(yàn)后，得到針形和環(huán)形電極的內(nèi)表面形貌，如圖5所示。由圖5可見，陰極針形電極Ep2和環(huán)形電極Er2的內(nèi)表面均出現(xiàn)了結(jié)垢現(xiàn)象，但結(jié)垢形態(tài)存在明顯差異：針形電極表面結(jié)垢呈棒狀，且厚度分布并不均勻，電極端部結(jié)垢厚度明顯大于其他部位；而環(huán)形電極結(jié)垢厚度相對(duì)較薄，且?guī)缀蹙鶆虻胤植荚陔姌O與循環(huán)水接觸的內(nèi)表面上。通過能譜(EDS)分析，各電極表面結(jié)垢的化學(xué)組成與實(shí)際閥冷系統(tǒng)中均壓電極表面出現(xiàn)的結(jié)垢基本一致，如表1所示。鋁和鐵的氫氧化物是結(jié)垢的主要成分，這也是結(jié)垢物整體上呈紅棕色的原因。仔細(xì)觀察圖5(d)環(huán)形電極結(jié)垢形貌可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)垢物在內(nèi)表面上并非均勻分布，一端較厚一端較薄，分析其原因應(yīng)是固定電極的緊固件阻礙了水的流動(dòng)，在管道中越靠近管壁流體流速越低，管壁表面流速趨近于零，因而造成了兩端結(jié)垢厚度的差異性。理論上來講，如果改進(jìn)環(huán)形電極的固定方式，由于環(huán)形電極內(nèi)表面電場(chǎng)分布均勻，其結(jié)垢也應(yīng)當(dāng)分布均勻。

圖5 模擬試驗(yàn)后針形和環(huán)形電極表面形貌Fig.5 Surface morphology of pin-type and ring-type electrodes after simulation test

表1 針形和環(huán)形電極表面結(jié)垢化學(xué)元素組成Tab.1 Element composition of deposition on pin-type and ring-type grading electrodes%

理論上，鋁在水與氧氣參與形成的化合物通常以無定形態(tài)或結(jié)晶態(tài)氫氧化物的形態(tài)存在，且不同形態(tài)氫氧化鋁具有差異明顯的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)：無定形態(tài)氫氧化鋁一般呈多孔狀，化學(xué)性質(zhì)較不穩(wěn)定，常溫下易溶于稀鹽酸或稀硫酸；晶質(zhì)氫氧化鋁通?？煞譃閮深?，一類為三氫氧化鋁，如三水鋁石α-Al(OH)3和拜耳石β-Al(OH)3等；另一類為偏氫氧化鋁，如勃姆石γ-AlO(OH)(又稱一水軟鋁石、薄水鋁石)。通常，晶質(zhì)氫氧化鋁在微觀形貌上呈層狀或塊狀，化學(xué)性質(zhì)一般相比無定形態(tài)更加穩(wěn)定。利用以上特征，通過掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)兩種電極表面結(jié)垢進(jìn)行顯微觀測(cè)，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出，模擬結(jié)垢試驗(yàn)進(jìn)行240 h后，針形電極Ep2表面結(jié)垢呈疏松多孔狀，而環(huán)形電極Er2表面結(jié)垢呈塊狀。電極結(jié)垢過程可簡(jiǎn)單概括如下：正(負(fù))電性致垢離子運(yùn)動(dòng)至負(fù)(正)極電極附近時(shí)在電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)至其表面與電解水產(chǎn)生的氫氧根(氫)離子發(fā)生中和反應(yīng)，生成氫氧化鋁沉積至電極表面。針形電極與環(huán)形電極表面結(jié)垢物微觀結(jié)構(gòu)不同可能由電極表面電場(chǎng)分布和電流密度差異導(dǎo)致。

圖6 模擬試驗(yàn)后針形和環(huán)形電極表面形貌顯微觀察Fig.6 Microscopic observation of surface morphology of pin-type and ring-type electrodes after simulated test

綜合以上結(jié)果可見，雖然針形電極和環(huán)形電極表面結(jié)垢在元素組成上十分相似，均主要為鋁和鐵的氫氧化物，但相比于針形電極，環(huán)形電極內(nèi)表面結(jié)垢形狀穩(wěn)定、厚度分布更加均勻。

最后，將結(jié)垢電極干燥后進(jìn)行分別稱重，試驗(yàn)前、后針形和環(huán)形結(jié)垢電極的質(zhì)量變化如表2所示。由表2可見，雖然兩種電極表面結(jié)垢總量比較接近，環(huán)形電極結(jié)垢質(zhì)量略大于針形電極，但由于環(huán)形電極與循環(huán)冷卻水的接觸面積(約2 010 mm2)遠(yuǎn)大于針形電極(約145 mm2)，使得環(huán)形電極單位表面的結(jié)垢量不到針形電極的十分之一。試驗(yàn)中針形和環(huán)形電極表面電流的分布特點(diǎn)如表3所示。其中：針形電極表面電流密度分布不均勻，模擬結(jié)垢試驗(yàn)條件下針形電極表面最大電流密度約為91.3 μAmm-2，平均電流密度約為27.6 μAmm-2；而不銹鋼環(huán)電極表面電流分布較為均勻，平均電流密度約為2.0 μAmm-2。可以看出，在電極電流作用下形成的結(jié)垢的平均厚度與電極表面電流密度大小近似呈正比，環(huán)形電極表面平均電流密度不足針形電極的十分之一，其單位面積結(jié)垢量亦僅為針形電極的十分之一左右，即相比于針形電極，環(huán)形設(shè)計(jì)能夠使得均壓電極表面的平均結(jié)垢厚度減少90%以上。

表2 針形和環(huán)形電極試驗(yàn)后質(zhì)量的變化Tab.2 Mass variation of pin-type and ring-type grading electrodes after test

表3 針形和環(huán)形電極表面電流密度分布Tab.3 Distribution of electric currents on surfaces of pin-type and ring-type grading electrodes

綜合上述模擬電極結(jié)垢試驗(yàn)中針形和環(huán)形電極質(zhì)量變化及表面形貌變化的結(jié)果來看，相同冷卻水環(huán)境或水質(zhì)中，針形電極和環(huán)形電極在電極電流作用下表面均會(huì)出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象，結(jié)垢成分與實(shí)際閥冷系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)均壓電極表面出現(xiàn)的結(jié)垢一致，均主要為鋁的氫氧化物，并且在電極電流相同情況下，兩種電極表面的結(jié)垢質(zhì)量十分接近。然而，兩種電極表面結(jié)垢分布特征又存在明顯的差異：針形電極表面結(jié)垢呈棒狀，結(jié)垢厚度較大且集中分布于電極端部，工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表面該種結(jié)垢在循環(huán)冷卻水的長(zhǎng)期沖擊作用下，易破碎或脫落而堵塞水路；而環(huán)形電極表面結(jié)垢近似均勻的分布在內(nèi)環(huán)面，且厚度較薄，試驗(yàn)條件下單位接觸面積的結(jié)垢量?jī)H為針形電極的十分之一左右。因此，與針形電極相比，環(huán)形電極表面結(jié)垢更加不易發(fā)生脫落，從而能夠減少換流閥內(nèi)水冷系統(tǒng)中發(fā)生水路堵塞和漏水等故障的概率或風(fēng)險(xiǎn)。

另外，需要進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)的是針形電極制造材料為鉑，化學(xué)穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于環(huán)形電極的制造材料316L型不銹鋼，因而采用不銹鋼環(huán)形電極替代鉑制針形電極時(shí)，需要對(duì)環(huán)形電極是否能夠滿足均壓電極的耐腐蝕性要求進(jìn)行驗(yàn)證。模擬電極結(jié)垢試驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[26]，使用軟毛刷將Er1和Er2不銹鋼環(huán)電極表面在流水中進(jìn)行輕微機(jī)械清洗，干燥后環(huán)形電極表面形貌與試驗(yàn)前形貌進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示。對(duì)干燥后的不銹鋼環(huán)形電極進(jìn)行稱重后發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)前后陽極和陰極環(huán)形電極本體的質(zhì)量損失均不足0.1 mg。由此可以看出，模擬循環(huán)冷卻水環(huán)境中，在陽極或陰極電極電流的作用下，無論表面是否形成過結(jié)垢，不銹鋼環(huán)形電極均未發(fā)生腐蝕，即當(dāng)閥內(nèi)冷系統(tǒng)在高電壓條件下運(yùn)行時(shí)，閥段高、低電位處的不銹鋼環(huán)形電極能夠滿足電極電流作用下均壓電極的耐腐蝕性能要求。

圖7 去除結(jié)垢產(chǎn)物后環(huán)形電極表面的形貌Fig.7 Surface morphology of ring-type grading electrodes after removing deposition product

3 環(huán)形均壓電極的實(shí)施方案及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

在不對(duì)現(xiàn)有換流閥組件內(nèi)水路(包括匯流管和支流管水路)布局進(jìn)行改變的前提下，環(huán)形均壓電極在冷卻水路中的安裝方式如圖8所示。

相比于目前被廣泛應(yīng)用于閥冷系統(tǒng)的針形均壓電極，按圖8所示方法安裝于匯流管冷卻水路的環(huán)形均壓電極應(yīng)具備以下應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

1—電極線接線柱；2—電極圓環(huán)；3—支流水管接頭固定座；4—氟塑料(FEP)接頭密封圈槽；5—支流水管FEP接頭固定螺紋孔；6—匯流水管；7—環(huán)形電極固定法蘭；8—電極圓環(huán)密封圈；9—支流水管FEP接頭；10—FEP接頭密封圈。圖8 閥內(nèi)冷水路環(huán)形均壓電極安裝示意圖Fig.8 Installation diagram of ring-type grading electrode in valve cooling water circuit

1)環(huán)形電極與內(nèi)冷卻水的接觸面積較大，表面電流密度顯著小于針形電極，從而能夠使結(jié)垢厚度增長(zhǎng)速率降低90%以上，大大降低了結(jié)垢脫落并堵塞水路的風(fēng)險(xiǎn)。環(huán)形電極表面結(jié)垢厚度的增長(zhǎng)速度將明顯小于針形電極，并且均勻分布在環(huán)形電極內(nèi)表面的結(jié)垢層不易在內(nèi)冷卻水循環(huán)流動(dòng)作用下破碎或脫落。

2)環(huán)形均壓電極采取了將支流水管氟塑料接頭直接安裝在電極圓環(huán)固定座的設(shè)計(jì)，完全消除了電極與金屬散熱器間支流管水路中的電位差，抑制了金屬散熱器內(nèi)表面在泄漏電流作用下發(fā)生腐蝕。

3)支流管接頭密封圈放置在電極外環(huán)面接頭固定座內(nèi)螺紋的根部，避免了因不銹鋼螺紋與內(nèi)冷水接觸而發(fā)生縫隙腐蝕。針形均壓電極的不銹鋼底座與匯流水管間存在寬約0.05 m的縫隙，在氧濃差電池效應(yīng)的作用下易發(fā)生縫隙腐蝕。環(huán)形電極的密封設(shè)計(jì)完全消除了不銹鋼螺紋與匯流水管間的縫隙，從而能夠避免縫隙腐蝕發(fā)生。

4)環(huán)形電極材料主要為不銹鋼，制造和加工成本低，將閥組件內(nèi)水路鉑針電極全部替換為不銹鋼環(huán)形電極能夠?yàn)槊孔鶕Q流閥塔減少上百萬元的生產(chǎn)制造成本。環(huán)形均壓電極采用不銹鋼作為電極材料，制造成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鉑制均壓電極，并且經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證電極內(nèi)表面并不會(huì)在工程實(shí)際電極電流作用下發(fā)生雜散電流腐蝕。

4 結(jié)論

本文針對(duì)目前廣泛應(yīng)用于換流閥內(nèi)冷卻系統(tǒng)的傳統(tǒng)鉑制針形均壓電極存在的缺陷，提出了一種用于控制和減緩均壓電極結(jié)垢問題的方案，研制了不銹鋼環(huán)形均壓電極，并通過模擬結(jié)垢試驗(yàn)驗(yàn)證該環(huán)形均壓電極設(shè)計(jì)的可行性和應(yīng)用前景。同時(shí)，研究也得出以下結(jié)論。

在均壓電極電流作用下，不銹鋼環(huán)形電極和鉑針形電極表面均形成以鋁的氫氧化物作為主要成分的結(jié)垢物，但是兩種電極的結(jié)垢特征存在明顯差異：針形電極結(jié)垢呈棒狀分布，結(jié)垢較厚，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行條件下該結(jié)垢長(zhǎng)期受循環(huán)水沖擊易發(fā)生破碎或脫落而堵塞水路；而不銹鋼環(huán)形電極結(jié)垢近似均勻地分布在內(nèi)環(huán)面，并且厚度較薄，單位接觸面積結(jié)垢量不到針形電極的十分之一，且其耐腐蝕性能能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行要求。

與現(xiàn)有的針形均壓電極相比，環(huán)形均壓電極表面結(jié)垢不易因過厚而發(fā)生脫落，從而能夠大大減少結(jié)垢物堵塞水路等故障發(fā)生的概率或風(fēng)險(xiǎn)，具有實(shí)際應(yīng)用的前景。