如何解决换流阀均压电极的沉积结垢问题？华电卢斌先团队有新方法

　　

　　华北电力大学卢斌先教授团队建立了一种换流阀冷却系统内均压电极表面垢层动态沉积模型，准确地描述及计算了垢层的动态生长规律。并首次提出了均压电极表面垢层动态沉积指数分析模型，确定了沉积常数，为均压电极垢层的生长预测和检修除垢策略提供了可靠依据。

　　换流阀冷却系统内的均压电极沉积结垢直接或间接地导致换流阀故障，严重威胁着整个直流输电系统的安全稳定运行，为此需要定期对均压电极进行清洗、除垢以及更换工作，耗费了巨大的人力、物力、财力，因此需要准确探究均压电极的沉积结垢机理，以确定检修策略，提高运行效率和降低运营成本。

　　均压电极表面的沉积反应过程涉及电化学极化、浓度极化和欧姆极化，且垢层的动态生长会影响边界条件、电极反应动力学和传质过程。鉴于均压电极沉积结垢现象复杂，且结垢属于微观过程，传统的实验技术难以准确研究。随着数学和计算机应用技术的发展，数值模拟方法逐渐被应用于该领域的领域中。

　　现有的关于均压电极表面沉积结垢机理的数值模拟研究，大都忽略了垢层的动态生长过程，建立了等效电路模型或有限元二维仿真模型，简化较多，计算精度受到影响，因此有必要建立更为精确的均压电极沉积结垢数值模拟模型。

　　本文建立了与并联型阀段冷却系统实际结构一致，且同时耦合电场、流体场、传质场的三维有限元均压电极动态沉积仿真模型，几何结构如图1所示，更为详细准确地模拟了均压电极表面垢层的生长，全方位探究了均压电极表面垢层的动态生长规律，并提出了均压电极垢层动态沉积指数分析模型，确定了沉积常数，为均压电极垢层的生长预测和检修除垢策略提供了可靠依据。

　　与传统的实验方法相比，该模型能够可靠预测沉积厚度，大大地减少实验周期，降低科研成本。

　　图1 并联型阀段冷却系统的几何结构

　　根据并联型阀段冷却系统的实际结构和尺寸，建立了同时耦合电场、流体场、传质场的三维有限元均压电极动态沉积仿真模型；引入垢层电位差变量对传统电极动力学Butler-Volmer方程进行了修正，从而建立了动态膜阻边界条件来模拟垢层生长对沉积反应的抑制作用；采用Al(OH)3的电导率和去离子水的电导率加权的方法确定了垢层的等效电导率，垢层生长的模拟计算结果与换流站实测的垢层统计数据相比，计算误差仅为0.85%，较现有二维仿真研究的计算误差降低了11.35%。

　　利用仿真模型不仅全方位分析了均压电极表面垢层的厚度分布特征（如图2所示）和动态生长规律，包括垢层平均厚度、沉积质量随时间的变化规律（如图3所示），而且对垢层的动态生长规律进行了公式拟合，提出了近似与一阶RC电路的零状态响应一致的均压电极垢层动态沉积指数分析模型，确定了沉积常数，与有限元模型的仿真计算结果偏差小于3.14%。

　　图2 3年半时垢层厚度分布图3 5年内垢层厚度、沉积量随时间变化

　　本文建立了并联型阀段冷却系统的三维电-流-传质场耦合模型，引入垢层动态膜阻以及等效电导率，验证了方法的准确性，得到了以下结论：

　　1）垢层的等效电导率取值为5.8×10-6 S/m，仿真计算的垢层厚度与换流站实测的垢层统计数据偏差0.85%，能够准确模拟均压电极表面垢层的动态生长规律。

　　2）均压电极表面垢层厚度的分布特征是：在正弧上对着均压电极阴极侧的垢层厚度大于另一侧垢层厚度；侧弧上垢层厚度分布关于尖端对称；在电极尖端处垢层厚度是最大的。

　　3）垢层平均厚度和沉积质量随时间的变化规律近似与一阶RC电路的零状态响应一致，如图2所示，可用时间常数表述其沉积特性，其时间常数τ=1111天，当时间达到3~5τ时，电极表面的沉积反应近乎停止，极限垢层平均厚度为1.03 mm，极限沉积质量为377 mg。

　　继续深入研究均压电极表面垢层的沉积时间常数与离子浓度、冷却水流速等影响因素的关系，以及建立均压电极动态沉积等效电路。

　　研究团队隶属于华北电力大学电气与电子工程学院，团队负责人为卢斌先教授，正在主持和独立完成的主要科研项目11项，近六年期间，在IEEE Trans. 等期刊发表SCI检索论文近30篇，EI检索20篇，获授权发明专利16项。近年来，团队5人次获国家奖学金。目前有在读硕士研究生15人，在读博士研究生2人，团队成员具有远大抱负，敢于挑战科研难题。

　　卢斌先 博士，教授，博导。现工作于华北电力大学电气与电子工程学院电磁与超导电工研究所。主讲课程有：电路理论、工程电磁场、电路分析基础等。主要研究方向有：电晕放电机理及电除尘效率研究、换流阀水冷系统均压电极和密封圈电化学腐蚀机理研究、特快速暂态过电压机理及抑制措施研究、电子式工频、谐波电压测量方法研究、有源配电网无功补偿与优化研究等。曾主持国家自然科学基金面上项目1项，参与国家杰出青年科学基金项目和“863”计划课题多项，2013年获北京市教学成果一等奖一项。

　　本研究成果发表在2023年第7期《电工技术学报》，论文标题为“垢层动态膜阻对换流阀冷却系统内均压电极动态沉积特性影响机理研究”。

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