CN113645818B - 一种永磁铁和法拉第笼消除循环水中电荷的箝位装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁铁和法拉第笼消除循环水中电荷的箝位装置，所述箝位装置包括永磁极、法拉第笼和水管及固定装置；永磁铁磁极连接到当地电位，法拉第笼通过电池连接到当地电位，对装置及其内部的循环水起到电位箝制作用；换流阀工作时阀门处于打开状态，循环水流入外加磁场的作用区域，磁场对水中带电粒子产生的洛伦兹力使带电粒子发生偏转，偏转后的带电粒子向电场作用区域偏转，之后正负离子在电场的作用下进入法拉第笼，被法拉第笼收集并进入电池回路中和；换流阀不工作时，关闭阀门拧开法兰，可更换法拉第笼。解决了电粒子对换流阀及水冷系统的腐蚀问题，对电力系统的影响小，可靠性高，更换电极的时候，只用更换法拉第笼即可。

Description

一种永磁铁和法拉第笼消除循环水中电荷的箝位装置

技术领域

本发明属于直流输电领域，涉及一种永磁铁和法拉第笼消除循环水中电荷的箝位装置。

背景技术

由于能源分布与电力需求的区域性差异，直流输电是满足大容量、远距离输电的良好途径，并同时为了节约电网换流阀的更换成本安全运行，迫切需要研究一种处理循环水中带电粒子的装置。

直流输电工程中换流阀是至关重要的设备,换流阀在直流输电过程中起着直流电和交流电相互转化的重要功能。但是在正常的转化过程中，换流阀的电力电子器件由于开关损耗等原因大量发热。为了降低其运行温度，换流阀装有辅助系统——水循环冷却系统，以控制进出换流阀水温度在合理范围内，用来保障换流阀正常工作。在换流阀阀厅内存在同时运行的电气和水冷两条回路，内冷水回路将换流阀的阀塔内各不同电位的电力电子器件(如晶闸管或IGBT)及其散热片、水冷电阻、水冷电抗器连接起来，且大部分固体绝缘材料化学组成时纤维素和木质素，其中纤维素带有羟基，木质素带有羟基，醛基和羧基。液体在不断的流动下与这些绝缘介质发生摩擦，使得基团中的电子云发生偏移，纤维素和木质素分子就被正电荷所覆盖，绝缘表面就如同覆盖了一层正极性的氢原子。此时的正电粒子对液体中的负离子有很强的亲和作用，会吸附液体中的负离子，并在绝缘界面上形成带电层。当液体的流速达到一定值时，带电层的电荷发生分离，负电粒子停留在介质表面，正电荷随着液体流动。同时换流阀不同部位存在电位差，这在水冷系统形成电场，导致介质内表面的负离子脱离进入水中。随着液体的进一步流动，当到达一定程度时，在介质表面带负电的粒子会由于浓度过大，向介质放电，形成油流带电，进而导致安全事故。

因此要保证循环水回路各点电位和阀的对应位置等电位布置，此时就需要外加箝位电极，但电极会吸收水中电荷，并产生腐蚀，现在的箝位电极使用的是耐腐蚀的铂金属电极，但是，运行一段时间箝位电极也会被消耗掉，因此迫切需要研究一种便于消除水中电荷，容易更换价格低廉的箝位装置。但在实际生产运行中，由于电力电子器件，如晶闸管或IGBT散热器等金属件的腐蚀无法完全避免，使得铂金属电极上产生严重的污垢重，而这些污垢会导致铂金属电极的螺纹锈蚀损坏，甚至铂金属电极与探针分离，造成铂金属电极的损坏，通常导致与主水管路上的密封失效而渗漏水的主要原因就是铂金属电极基座螺纹锈蚀损坏；铂金属电极基座与探针分离会造成主水管上电位悬浮，导致局部放电，进一步加速铂金属电极的结垢。目前的应对措施为停电检修除垢，但是，登高检修会产生大量维护费用，花费大量的人力物力，同时登高检修也带来人身安全风险。目前的电极大多数都为铂金属电极，传统更换电极的方法是更换整个铂电极，导致了成本的增加。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种永磁铁和法拉第笼消除循环水中电荷的箝位装置，该装置设计合理，易于实现，与传统的方法和装置相比存在许多优势，它对换流阀进行整体更换时的成本降低十分有效，装置整体对电力系统的影响小，可靠性高，有很好的实用价值。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种永磁铁和法拉第笼消除循环水中电荷的箝位装置，包括永磁铁和水管；

所述永磁铁包括外加磁场的N极和S极，N极和S极安装于主水管两侧，位置相互对称且连接到当地电位；

所述水管包括主水管、第一水管和第二水管，所述第一水管的一端与主水管的一侧连通，另一端安装第一法兰，第一法拉第笼安装在第一水管内部靠近第一法兰的一侧，第一阀门安装在第一法拉第笼和主水管之间；所述第二水管的一端与主水管的另一侧连通，另一端安装第二法兰，第二法拉第笼安装在第二水管内部靠近第二法兰的一侧，第二阀门安装在第二法拉第笼和主水管之间。

本发明的进一步改进在于：

所述第一法拉第笼和第二法拉第笼，分别通过第一电池和第二电池连接到当地电位。

所述第一法拉第笼位于第一法兰与第一阀门之间，所述第二法拉第笼位于第二法兰与第二阀门之间，位置相互对称，其中第一法拉第笼搜集带正电的带电粒子，第二法拉第笼搜集带负电的带电粒子。

所述电池包括第一电池和第二电池，第一电池连接于第一法拉第笼和当地电位之间，第二电池连接于第二法拉第笼和当地电位之间，中和第一法拉第笼和第二法拉第笼收集的带电粒子。

所述第一法拉第笼和第二法拉第笼为金属材质。

所述第一水管与第二水管关于主水管在同一轴线上相互对称。

所述第一阀门包括控制带负电离子是否通过的阀门和控制装置，所述第二阀门包括控制带正电离子是否通过的阀门和控制装置。

所述外加磁场的方向垂直于第一水管与第二水管的轴线方向。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供一种永磁铁和法拉第笼消除循环水中电荷的箝位装置，可用于需要对换流阀进行冷却的场合。在换流阀及循环水冷系统工作时阀门打开，当循环水流经外加磁场时水中带电粒子在洛伦兹力的作用下发生偏转，然后进入法拉第笼中被限制和搜集。

进一步的，本发明安装有两只串联的电池，电池的中间电位公共点连接两个磁极，并连接至换流阀的当地电位，两只电池另外的两个连接点分别接法拉第笼，法拉第笼中的电荷进入电池回路被中和。

可抑制循环水中放电及减轻带电粒子对换流阀及水冷系统的腐蚀，对电力系统的影响小，可靠性高，以及在更换电极的时候，只用更换法拉第笼即可，法拉第笼为普通金属打造，相较于铂电极极大节约了成本。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实际作用的原理图；

图2为本发明的结构示意图；

其中：1-N极，2-S极，3-第一法拉第笼，4-第二法拉第笼，5-第一水管，6-第二水管，7-第一阀门，8-第二阀门，9-第一电池，10-第二电池，11-第一法兰，12-第二法兰，13-当地电位，14-主水管，15-磁场作用区域。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1和图2，本发明永磁铁和法拉第笼消除循环水中电荷的箝位装置，包括永磁铁、法拉第笼、控制及固定装置，电池；

其中，永磁铁包括外加磁场的N极1和S极2，法拉第笼包括第一法拉第笼3和第二法拉第笼4；控制及固定装置水管、阀门以及法兰，水管包括第一水管5和第二水管6，阀门包括第一阀门7和第二阀门8，法兰第一法兰11和第二法兰12；电池包括第一电池9和第二电池10，为实施本发明解决实际问题有以下步骤：

步骤一：在换流阀循环水系统中将本装置安装于主水管14上，此时，所述N极1和S极2，两磁极形成磁场作用区域15与主水管14垂直相交；所述第一水管5和第二水管6，其中第一水管5一端与主水管14的一侧连通，另一端末端安装第一法兰11，内部安装第一法拉第笼3，在第一法拉第笼3与主水管14之间安装第一阀门7；第二水管6与第一水管5在同一轴线上相互对称，从靠近主水管14侧开始依次对称安装第二阀门8，第二法拉第笼4，第二法兰12。同时安装应时当保证阀门与法兰都处于关闭状态，在安装完上述装置后，应当在两侧的法拉第笼和电极之间各接两组第一电池9和第二电池10用来保证电位分布。

步骤二：当此装置正常工作时，永磁铁磁极N极1和S极2连接到当地电位13，第一法拉第笼3和第二法拉第笼4通过第一电池9和第二电池10连接到当地电位13，对装置及其内部的循环水起到电位箝制作用。换流阀工作时，阀门包括第一阀门7和第二阀门8处于打开状态；循环水流入磁场作用区域15，N极1和S极2形成的磁场对水中带电粒子的产生洛伦兹力，带电粒子在电磁场中会受到洛伦兹力的作用，且满足

是洛伦兹力，q是电荷量，

是带电粒子速度，

是磁感应强度，且带电粒子在磁场中的偏转半径满足R＝mv/Bq。

偏转后的正离子、负离子分别向第二法兰与第一法兰方向偏转，之后正负离子在法拉第笼中电场的作用下进入法拉第笼，到达法拉第笼的电子能量为w＝qU，此时，带电粒子在电场中的运动被法拉第笼收集并进入电池电路回路中和。

步骤三：换流阀不工作时，关闭第一阀门7和第二阀门8,拧开第一法兰11和第二法兰12，可更换第一法拉第笼3和第二法拉第笼4。

步骤四：当需要对此装置进行维护时，需要维护的部分主要是法拉第笼；法拉第笼均为普通金属制成，相较于昂贵的铂金属而言，这极大的节省了成本，使得维护的成本大大降低。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种永磁铁和法拉第笼消除循环水中电荷的箝位装置，其特征在于，包括永磁铁和水管；

所述永磁铁包括外加磁场的N极（1）和S极（2），N极（1）和S极（2）安装于主水管（14）两侧，位置相互对称且连接到当地电位（13）；

所述水管包括主水管（14）、第一水管（5）和第二水管（6），所述第一水管（5）的一端与主水管（14）的一侧连通，另一端安装第一法兰（11），第一法拉第笼（3）安装在第一水管（5）内部靠近第一法兰（11）的一侧，第一阀门（7）安装在第一法拉第笼（3）和主水管（14）之间；所述第二水管（6）的一端与主水管（14）的另一侧连通，另一端安装第二法兰（12），第二法拉第笼（4）安装在第二水管（6）内部靠近第二法兰（12）的一侧，第二阀门（8）安装在第二法拉第笼（4）和主水管（14）之间。

2.根据权利要求1所述永磁铁和法拉第笼消除循环水中电荷的箝位装置，其特征在于，所述第一法拉第笼（3）和第二法拉第笼（4），分别通过第一电池（9）和第二电池（10）连接到当地电位（13）。

3.根据权利要求1所述永磁铁和法拉第笼消除循环水中电荷的箝位装置，其特征在于，所述第一法拉第笼（3）位于第一法兰（11）与第一阀门（7）之间，所述第二法拉第笼（4）位于第二法兰（12）与第二阀门（8）之间，位置相互对称，其中第一法拉第笼（3）搜集带正电的带电粒子，第二法拉第笼（4）搜集带负电的带电粒子。

4.根据权利要求2所述的永磁铁和法拉第笼消除循环水中电荷的箝位装置，其特征在于，所述第一电池（9）连接于第一法拉第笼（3）和当地电位（13）之间，第二电池（10）连接于第二法拉第笼（4）和当地电位（13）之间，中和第一法拉第笼（3）和第二法拉第笼（4）收集的带电粒子。

5.根据权利要求1、2或3所述的永磁铁和法拉第笼消除循环水中电荷的箝位装置，其特征在于，所述第一法拉第笼（3）和第二法拉第笼（4）为金属材质。

6.根据权利要求1所述的永磁铁和法拉第笼消除循环水中电荷的箝位装置，其特征在于，所述第一水管（5）与第二水管（6）关于主水管（14）在同一轴线上相互对称。

7.根据权利要求1所述的永磁铁和法拉第笼消除循环水中电荷的箝位装置，其特征在于，所述第一阀门（7）包括控制带负电粒子是否通过的阀门和控制装置，所述第二阀门（8）包括控制带正电粒子是否通过的阀门和控制装置。

8.根据权利要求1所述的永磁铁和法拉第笼消除循环水中电荷的箝位装置，其特征在于，所述外加磁场的方向垂直于第一水管（5）与第二水管（6）的轴线方向。

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