气泡对换流阀内冷水电导率在线测量的影响

马啸飞

（国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001）

换流阀是直流站的核心设备之一。换流阀运行时，内部可控硅元件会产生大量热量，需要冷却介质及时将热量带走，以防可控硅元件因温度过高而损毁。换流阀内冷系统的冷却介质为高纯水，其电导率的在线测量容易受到诸多因素的影响，水中气泡是常见的影响因素之一。为了避免水中杂质的侵蚀，换流阀对内冷却水的电导率有着严格的要求（国标要求≤0.5 μS/cm），电导率测量的准确性对整个换流阀的安全运行有着不容忽视的影响。本文分析了换流阀内冷水系统内部出现气泡的机理，阐明了气泡对换流阀内冷水电导率测量过程的影响，并提出了一些有效控制措施。

1 换流阀内冷水系统简介

换流阀内冷却水系统由主循环回路、水处理回路和内冷水补水系统组成。该系统主要包括主循环水泵、空气冷却器、闭式冷却塔、去离子装置、脱气罐、电加热器、膨胀水箱、过滤器、补充水泵、配电及控制等设备，如图1所示。冷却水在室内换流阀热交换器内加热升温后，由循环水泵驱动进入室外空气冷却器，降温后的冷却水由循环水泵再送至室内。水处理回路主要由一用一备的离子交换器和交换器出水段的精密过滤器组成。系统运行时，部分内冷却水将从主循环回路旁通进入水处理装置进行去离子处理，去离子后的内冷却水其电导率将会降低，处理后的内冷却水再返回主循环回路。

图1 换流阀内冷系统流程图

2 气泡的来源

2.1 吸气现象

由于换流阀循环内冷水各段管径不同，内冷水的流速和压力差距较大，在某些部位可能发生射流泵吸气现象。比如水冷电阻处，当冷却室的密封元件腐蚀损坏或密封不严时，其进出水管和冷却室就会组成射流泵。进水以较高的速度从管口流出，进入冷却室，在冷却室因周围的空气被高速水流带走而形成真空，导致外部空气被吸入管内，使内冷水中出现大量微小气泡，其工作原理如图2所示。气泡会导致内冷水的流动特性发生改变，在高温、高压的局部，气泡集中破裂，产生非常高的温度和压力，会导致元器件因气蚀而损坏，同时使液压泵产生较大的噪声和振动。

图2 吸气现象原理图

2.2 溶解气体析出

内水冷系统中的空气以两种形式存在：一种是游离性气体，气体以游离气泡随内冷水循环流动，容易在系统某些部位聚集（比如管路较高处）；另一种是溶解性气体，气体溶解于水中，当系统压力由高变低时，这部分气体会以气泡的形式析出。内冷水循环系统并不是绝对的全封闭循环系统，内冷水不可避免的会有微量空气溶解于其中。根据亨利定律，在一定温度下，若内冷水循环回路中某处的压力低于空气的平衡分压，则溶解于内冷水中的过饱和空气会迅速析出，产生大量的气泡。此外，在高温高压下，内冷水本身也会发生汽化，产生大量的水蒸气。

3 气泡电导率测量的影响

3.1 气泡对测量电阻的影响

电导率是用来表示物质传导电流能力强弱的物理量，电导率越大则导电能力越强，反之越小。对于水溶液，其电导率越大说明水中离子浓度越高，反之越低。电导率的基本计算公式为

式中σ为电导率，K为电极常数，G为溶液的电导，R为溶液的电阻。

在线电导率传感器由2个平行板构成，一般采用同轴设计，位于中间位置的内电极被环绕在其周围的外电极包围，内外电极和周围的待测溶液共同组成了测量池，如图3。

在内冷水系统运行过程中，水中的气泡会附着在电导率测量电极上（如图4）。当电极表面的气泡足够多，足够大时，由于气泡的电阻较大，会使电极附近的溶液电阻R变大，根据式（1）电导率读数将变小，因此气泡的存在会导致在线电导率仪表读数偏小。

图3 电导率测量池截面

图4 气泡覆盖后的测量池

在实际测量中，当电导率表读数不稳定时，可以通过一边敲击传感器一边观察电导率读数，来检验电极表面是否存在气泡（当气泡被除去和冲洗到下游时，读数会上升）。在日常运行中，如果发现在线电导率表的读数长期低于理论值（0.055 μS/cm）时，除了校准仪表以外，还要考虑电极的安装位置是否有利于气泡及时排走。

3.2 溶解空气对电导率的影响

在测量低电导率（＜10 μS/cm） 时，空气中的二氧化碳会对测量结果产生很大影响。溶解二氧化碳在水中形成碳酸（H2CO3），碳酸在第一步解离成碳酸氢根离子（HCO3），在第二步解离成碳酸根离子（CO32－）。具体反应如下。

从上述反应可以看出，二氧化碳在水中电解会产生导电能力较强H+。由于内冷水的电导率极低，H+对电导率的测量影响很大，在标准条件下，二氧化碳电解产生的离子可使电导率读数提高大约1 μS/cm。因此，溶解空气会使在线电导率仪表读数偏大。

4 控制措施

4.1 合适的测量流速

理想条件下，水的电导率取决于水的纯度或组成，和流速无关，但当水中存在气泡时，流速对电导率尤其是高纯水的电导率测量则有较大的影响。表1数据为某换流站电导率表比对结果，该站极1高端和极2低端离子交换器出水在线电导率表读数长时间低于理论值，经过标准表旁路测量发现引出管内有大量气泡。通过调节标准表的流速，发现标准表读数随流速的增大而上升，当流速达到3 m/s以上后，读数基本稳定不再变化。由此分析，流速逐渐升高时，电极表面附着的气泡逐渐被水流带走，水中溶解的二氧化碳被不断稀释，使电导率读数不断接近真实值，最终稳定下来。因此，测量高纯水的电导率要选择合适的流速，同时也应该注意，过高的流速会造成“气穴效应”，对电极产生一定冲击力，不仅会造成读数不稳且可能损害电极。

表1 某换流站在线电导率仪表比对结果

4.2 选择合适安装位置

对于内冷水系统，电导率传感器应安装在水平或流向朝上的垂直管道中，最好使流向正对着电极的头部，应尽量避免将电极安装在水平管路的垂直方向。采用外接仪表进行测量时，应当使水样从底部流入流通池，并从上面排出。总之，传感器的安装应该避免流动死角，选择尽量有利于气泡排出的位置（见图5—图7）。

图5 电极正对水流

图6 流向朝上的垂直管道

图7 电极与水流垂直

4.3 增加排气阀

在管道的高位装设足够的排气阀，在主循环管道较高处、过滤器顶部以及树脂罐顶部等气体易聚集处设置手动排气阀。当发现管路气泡较多或者系统运行噪声变大时，可使用手动排气阀加快气体排出的速度，减少管内残留气体。

5 结语

换流阀内冷却水的监督检测是换流阀安全运行的重要保证，电导率的测量是否准确对整个换流阀的安全运行有着不容忽视的影响。本文分析了气泡对换流阀内冷水电导率在线测量的影响，并结合现场实际情况提出了一些有效措施，对换流阀内冷水的分析检测起到了一定的参考作用。