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摘 要：换流站阀冷系统冷却塔结垢问题一直是一个技术难题，总结多年来换流站冷却塔结垢情况，发现一个普遍规律：换流站负极侧冷却塔结垢情况明显比正极侧严重。本文从换流站静电场分布的不同形式分析了由于喷淋水中离子的取向性极化导致冷却塔结垢差异化的原因，并提出了采用静电屏蔽的方式消除静电影响的改进措施，以保障阀冷系统的运行散热效果和换流阀系统的安全稳定。
关键词：换流站；阀冷系统；冷却塔；静电场；取向性极化；结垢；静电屏蔽
中图分类号：TM631.3 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）33-0093-02
引 言
换流阀冷却系统是换流阀的一个重要组成部分，它将阀体上各元器件的工号发热量排放到阀厅外，保证晶闸管运行结温在正常范围[1]。因此，换流阀冷却系统的散热能力直接关系到换流阀运行的安全稳定，而冷却塔的换热效果是对换流阀冷却系统散热能力的关键影响因素。
一般情况，换流站通过向喷淋水投加缓蚀阻垢剂的方法可以有效控制冷却塔结垢，出现轻微结垢属正常现象，但在同等水源、同等加药条件下，运行现场仍表现出结垢的差异性，总结多年来换流站冷却塔结垢情况，发现负极侧冷却塔结垢情况明显比正极侧严重，本文将从换流站特有的构造阐述站内静电场的分布方式，分析正、负静电场对冷却塔内喷淋水中离子的电场力作用，进而结合电化学中取向性极化现象[2]对两极的结垢差异性进行论证，并提出采用静电屏蔽[6]方式消除静电场对冷却塔结垢影响的解决方法。
1 换流站静电场分布分析
换流站一般主要由交流场、阀厅、直流场以及滤波场几大部分组成，分为正、负两极，根据其电压等级以及输送容量设计的不同可分为双极双阀组和双极四阀组[1]。
1.1 换流站的结构布局
以±800kV普洱换流站为例，其交、直流场布局如图1所示。
在整流换流站，交流电源经交流场将外部电源送至阀厅，经换流阀整流后输出至直流场，再经直流场及高压直流输电线路送至受端，逆变站与其过程相反。
1.2 换流站静电场分布
如图1所示，换流站极Ⅰ为0～+800kV的电压等级，而极Ⅱ为0～800kV的电压等级[3]，由此，可以认为极Ⅰ区域存在一个正电场，其电场方向由极Ⅰ直流场指向无穷远，而极Ⅱ则存在一个负电场，其电场方向由无窮远指向极Ⅱ直流场[5]，其静电场分布示意图如图2所示。
如图2所示，无论极Ⅰ直流场的正电场还是极Ⅱ直流场的负电场，当受到障碍物阻挡时，其电场强度会大大减弱，但在两极换流变广场的空旷地带则基本不会对电场有太大阻挡[6]，而冷却塔处在不同的静电场条件下势必受其影响。
2 静电场对喷淋水结垢的影响分析
换流阀冷却系统外冷水系统一般由喷淋泵将喷淋水池内的外冷水经花洒均匀的喷到内冷水的蛇形盘管上，已达到增大换热面积的效果，再由冷却风机将热量传递至空气中[5]，如图3所示。
2.1 冷却塔结垢的危害分析
冷却塔结垢会影响阀冷系统的散热效果，导致阀冷系统内冷水温升高，进而影响和缩短换流阀设备的使用寿命。当内冷水温因结垢而升高，将更有助于垢体的析出和硬化，在冷却塔蛇形盘管表面不断堆积，进一步影响散热效果导致内冷水温进一步升高，如此恶性循环[8]，当结垢达到一定程度将使冷却塔丧失冷却能力，导致阀组闭锁。
另外，脱落的垢体进入循环水泵还会导致循环水泵叶轮和机械密封损坏，严重影响阀冷系统的安全稳定。
2.2 静电场对喷淋水的取向性极化作用
取向性极化是一种电介质极化现象，外电场对电偶极矩的力矩作用，使它们倾向于定向排列[2]。
冷却塔中的喷淋水在取向性极化的作用下，其中的正、负离子会发生位移，根据同性相斥、异性相吸的电场力原理，正离子位移方向与电场方向相同，负离子位移方向与电场方向相反，而喷淋水是由花洒喷出，所以其水流具有间断性，喷淋水中的离子不可能穿越空气发生位移，所以可以认为这种取向性极化现象只是发生在喷淋水与冷却塔接触且在静电场影响范围内的部分。
2.2.1 换流站正极侧的取向性极化
在换流站的正极，喷淋水中易导致结垢的Ca2+和Mg2+等阳离子会在电场力作用下向冷却塔壁反向位移，而不易导致结垢的CO32-和SO42-等离子会向冷却塔壁方向位移，Ca2+和Mg2+等阳离子受到水流和空气的阻挡，无法在某个部位大量聚集，而发生取向性极化的CO32-和SO42-等离子不会析出结垢，所以，现场观察正极冷却塔结垢非常轻微，正电场下喷淋水离子取向性极化效果如图4所示。
2.2.2 换流站负极侧的取向性极化
在换流站的负极，喷淋水中易导致结垢的Ca2+和Mg2+等阳离子会在电场力作用下向冷却塔壁方向位移，而不易导致结垢的CO32-和SO42-等离子会向冷却塔壁反向位移，正电场下离子取向性极化效果如图5所示。
取向性极化发生后，靠近冷却塔内壁喷淋水会聚集大量的Ca2+和Mg2+，发生如下化学反应：
Ca2++2OH-=Ca（OH）2（1）
Ca（OH）2+CO2=CaCO3↓+H2O（2）
Ca2+和Mg2+极易与水中的OH-结合生成易溶于水的Ca（OH）2和Mg（OH）2，在冷却塔风机的作用下，大量空气进入塔内，空气中的大量CO2与Ca（OH）2和Mg（OH）2反应生成难溶于水的CaCO3和MgCO3，CaCO3和MgCO3沉淀物附着在蛇形盘管和冷却塔壁等金属表面经长时间的沉淀便形成大量水垢。
综合以上分析结果，在换流站不同的静电场条件下，负电场对喷淋水中离子的取向性极化作用加剧了Ca2+和Mg2+等离子的析出，导致负极冷却塔结垢严重，造成了正、负极的结垢差异性问题。 3 冷却塔结垢差异的解决思路
根据以上分析，换流站存在的静电场对喷淋水的取向性极化现象导致了换流站正、负极的结垢程度差异，只有消除了静电影响才能杜绝此类现象的发生，所以考虑采用对负极侧冷却塔加装静电屏蔽罩的方式解决该问题，加装静电屏蔽罩后，在电磁屏蔽原理“集肤效应”[7]的作用下，屏蔽罩内场强为零，不会对水中离子产生电场力作用，进而可以彻底解决结垢的差异性问题。
4 结 论
本文系统阐述了换流站内普遍存在的正、负极侧换流阀冷却系统冷却塔结垢差异性的问题，分析了冷却塔结垢的诸多危害，细致解析了在不同靜电场环境下喷淋水内离子发生取向性极化的反应过程，表明了导致冷却塔差异性结垢的根本原因并提出解决方法，对于保障阀冷系统的散热效果和换流阀系统安全稳定具有重要意义，可为其他换流站提供参考借鉴。
基金项目：国家自然科学基金资助项目（0000000）。
参考文献
[1]赵婉君.高压直流输电工程技（第二版）[M].北京：中国电力出版社，2011.
[2]李 荻.电化学原理（修订版）[M].北京：北京航空航天大学出版社，1998.
[3]常开忠，禹晋云，程建登，等.±800kV普洱换流站运行规程[Z].昆明，中国南方电网超高压输电公司昆明局，2013.
[4]梁贵书，董华英.电路理论基础[M].北京：中国电力出版社，2010.
[5]王远游，郝志杰，林 睿.天广直流工程换流阀冷却系统腐蚀与沉积[J].高电压技术，2006，32（9）：80～83.
[6]邓本飞，孙恒明，曹继丰.高压直流阀冷系统的除垢工艺[J].南方电网技术，2008，2（3）：73～76.
[7]王 蔷.电磁场理论基础[M].北京：清华大学出版社，2001.
[8]DENG Benfei， SUN Hengming， CAO Jifeng. The Scale Removal Techniques of HVDC Valve Cooling System [J]. Southern Power System Technology，2008，2（3）：73～76.
[9]郝江涛.天生桥换流站阀冷系统喷淋塔结垢差异分析[J].南方电网技术，2010，4（3）：99～103.
收稿日期：2018-9-10
作者简介：王小岭（1987-），男，工程师，本科，主要从事换流阀冷却系统检修工作。
关键词：换流站；阀冷系统；冷却塔；静电场；取向性极化；结垢；静电屏蔽
中图分类号：TM631.3 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）33-0093-02
引 言
换流阀冷却系统是换流阀的一个重要组成部分，它将阀体上各元器件的工号发热量排放到阀厅外，保证晶闸管运行结温在正常范围[1]。因此，换流阀冷却系统的散热能力直接关系到换流阀运行的安全稳定，而冷却塔的换热效果是对换流阀冷却系统散热能力的关键影响因素。
一般情况，换流站通过向喷淋水投加缓蚀阻垢剂的方法可以有效控制冷却塔结垢，出现轻微结垢属正常现象，但在同等水源、同等加药条件下，运行现场仍表现出结垢的差异性，总结多年来换流站冷却塔结垢情况，发现负极侧冷却塔结垢情况明显比正极侧严重，本文将从换流站特有的构造阐述站内静电场的分布方式，分析正、负静电场对冷却塔内喷淋水中离子的电场力作用，进而结合电化学中取向性极化现象[2]对两极的结垢差异性进行论证，并提出采用静电屏蔽[6]方式消除静电场对冷却塔结垢影响的解决方法。
1 换流站静电场分布分析
换流站一般主要由交流场、阀厅、直流场以及滤波场几大部分组成，分为正、负两极，根据其电压等级以及输送容量设计的不同可分为双极双阀组和双极四阀组[1]。
1.1 换流站的结构布局
以±800kV普洱换流站为例，其交、直流场布局如图1所示。
在整流换流站，交流电源经交流场将外部电源送至阀厅，经换流阀整流后输出至直流场，再经直流场及高压直流输电线路送至受端，逆变站与其过程相反。
1.2 换流站静电场分布
如图1所示，换流站极Ⅰ为0～+800kV的电压等级，而极Ⅱ为0～800kV的电压等级[3]，由此，可以认为极Ⅰ区域存在一个正电场，其电场方向由极Ⅰ直流场指向无穷远，而极Ⅱ则存在一个负电场，其电场方向由无窮远指向极Ⅱ直流场[5]，其静电场分布示意图如图2所示。
如图2所示，无论极Ⅰ直流场的正电场还是极Ⅱ直流场的负电场，当受到障碍物阻挡时，其电场强度会大大减弱，但在两极换流变广场的空旷地带则基本不会对电场有太大阻挡[6]，而冷却塔处在不同的静电场条件下势必受其影响。
2 静电场对喷淋水结垢的影响分析
换流阀冷却系统外冷水系统一般由喷淋泵将喷淋水池内的外冷水经花洒均匀的喷到内冷水的蛇形盘管上，已达到增大换热面积的效果，再由冷却风机将热量传递至空气中[5]，如图3所示。
2.1 冷却塔结垢的危害分析
冷却塔结垢会影响阀冷系统的散热效果，导致阀冷系统内冷水温升高，进而影响和缩短换流阀设备的使用寿命。当内冷水温因结垢而升高，将更有助于垢体的析出和硬化，在冷却塔蛇形盘管表面不断堆积，进一步影响散热效果导致内冷水温进一步升高，如此恶性循环[8]，当结垢达到一定程度将使冷却塔丧失冷却能力，导致阀组闭锁。
另外，脱落的垢体进入循环水泵还会导致循环水泵叶轮和机械密封损坏，严重影响阀冷系统的安全稳定。
2.2 静电场对喷淋水的取向性极化作用
取向性极化是一种电介质极化现象，外电场对电偶极矩的力矩作用，使它们倾向于定向排列[2]。
冷却塔中的喷淋水在取向性极化的作用下，其中的正、负离子会发生位移，根据同性相斥、异性相吸的电场力原理，正离子位移方向与电场方向相同，负离子位移方向与电场方向相反，而喷淋水是由花洒喷出，所以其水流具有间断性，喷淋水中的离子不可能穿越空气发生位移，所以可以认为这种取向性极化现象只是发生在喷淋水与冷却塔接触且在静电场影响范围内的部分。
2.2.1 换流站正极侧的取向性极化
在换流站的正极，喷淋水中易导致结垢的Ca2+和Mg2+等阳离子会在电场力作用下向冷却塔壁反向位移，而不易导致结垢的CO32-和SO42-等离子会向冷却塔壁方向位移，Ca2+和Mg2+等阳离子受到水流和空气的阻挡，无法在某个部位大量聚集，而发生取向性极化的CO32-和SO42-等离子不会析出结垢，所以，现场观察正极冷却塔结垢非常轻微，正电场下喷淋水离子取向性极化效果如图4所示。
2.2.2 换流站负极侧的取向性极化
在换流站的负极，喷淋水中易导致结垢的Ca2+和Mg2+等阳离子会在电场力作用下向冷却塔壁方向位移，而不易导致结垢的CO32-和SO42-等离子会向冷却塔壁反向位移，正电场下离子取向性极化效果如图5所示。
取向性极化发生后，靠近冷却塔内壁喷淋水会聚集大量的Ca2+和Mg2+，发生如下化学反应：
Ca2++2OH-=Ca（OH）2（1）
Ca（OH）2+CO2=CaCO3↓+H2O（2）
Ca2+和Mg2+极易与水中的OH-结合生成易溶于水的Ca（OH）2和Mg（OH）2，在冷却塔风机的作用下，大量空气进入塔内，空气中的大量CO2与Ca（OH）2和Mg（OH）2反应生成难溶于水的CaCO3和MgCO3，CaCO3和MgCO3沉淀物附着在蛇形盘管和冷却塔壁等金属表面经长时间的沉淀便形成大量水垢。
综合以上分析结果，在换流站不同的静电场条件下，负电场对喷淋水中离子的取向性极化作用加剧了Ca2+和Mg2+等离子的析出，导致负极冷却塔结垢严重，造成了正、负极的结垢差异性问题。 3 冷却塔结垢差异的解决思路
根据以上分析，换流站存在的静电场对喷淋水的取向性极化现象导致了换流站正、负极的结垢程度差异，只有消除了静电影响才能杜绝此类现象的发生，所以考虑采用对负极侧冷却塔加装静电屏蔽罩的方式解决该问题，加装静电屏蔽罩后，在电磁屏蔽原理“集肤效应”[7]的作用下，屏蔽罩内场强为零，不会对水中离子产生电场力作用，进而可以彻底解决结垢的差异性问题。
4 结 论
本文系统阐述了换流站内普遍存在的正、负极侧换流阀冷却系统冷却塔结垢差异性的问题，分析了冷却塔结垢的诸多危害，细致解析了在不同靜电场环境下喷淋水内离子发生取向性极化的反应过程，表明了导致冷却塔差异性结垢的根本原因并提出解决方法，对于保障阀冷系统的散热效果和换流阀系统安全稳定具有重要意义，可为其他换流站提供参考借鉴。
基金项目：国家自然科学基金资助项目（0000000）。
参考文献
[1]赵婉君.高压直流输电工程技（第二版）[M].北京：中国电力出版社，2011.
[2]李 荻.电化学原理（修订版）[M].北京：北京航空航天大学出版社，1998.
[3]常开忠，禹晋云，程建登，等.±800kV普洱换流站运行规程[Z].昆明，中国南方电网超高压输电公司昆明局，2013.
[4]梁贵书，董华英.电路理论基础[M].北京：中国电力出版社，2010.
[5]王远游，郝志杰，林 睿.天广直流工程换流阀冷却系统腐蚀与沉积[J].高电压技术，2006，32（9）：80～83.
[6]邓本飞，孙恒明，曹继丰.高压直流阀冷系统的除垢工艺[J].南方电网技术，2008，2（3）：73～76.
[7]王 蔷.电磁场理论基础[M].北京：清华大学出版社，2001.
[8]DENG Benfei， SUN Hengming， CAO Jifeng. The Scale Removal Techniques of HVDC Valve Cooling System [J]. Southern Power System Technology，2008，2（3）：73～76.
[9]郝江涛.天生桥换流站阀冷系统喷淋塔结垢差异分析[J].南方电网技术，2010，4（3）：99～103.
收稿日期：2018-9-10
作者简介：王小岭（1987-），男，工程师，本科，主要从事换流阀冷却系统检修工作。