冷却水路系统均压与绝缘

冷却水路系统的均压与绝缘研究华北电力大学2012年11月14日背景1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功耗发热量排放到阀厅外，保证IGBT运行结温在正常范围。2冷却水一般具有0.2-0.5的电导率，所以水在高压情况下具有电气效应，对主电路的均压和绝缘都会产生影响。3将各段水管中的水等效成电阻，简称水电阻，建立水路系统等效电路。工作内容1建立等效电路模型，计算水路系统各段水管电阻参数2根据等效电路模型仿真得出水路各处电压、泄漏电流及电流密度等物理量，确定各IGBT组件承担电压，分析均压性能3根据实际均压情况，分析是否需要加入钳位电极4分析考虑阀组件内发生短路故障时的水路均压和绝缘情况5针对水管与散热器金属接头处利用有限元法计算电场强度分布IGBT水路主系统红色箭头表示进水方向黄色箭头表示出水方向R1、R进水、R出水、R进水’、R出水’表示如图所示水管的等效电阻一、建立水路等效电路模型R出水’V11V12V13V43V42V41R出水R进水’R进水R1IGBTIGBTIGBTIGBT一、建立水路系统等效电路模型并联冷却：红色表示冷却水流进出R2、R3表示如图水管的等效电阻阀组件内冷却水流图进水出水R3R2一、建立水路等效电路模型水路等效电路R1、R2、R3、R进水、R出水、R进水’、R出水’——水路等效电阻RDC——均压电阻V11~V13——V1三个串联阀V41~V43——V4三个串联阀一、建立水路系统等效电路模型阀组件冷却水路等效电路图红色部分是电气连接部分，黑色是水路等效图，稳态时不用考虑阻尼回路V111—V117是阀组件内串联连接的7个IGBTRDC并联在IGBT两端的两个均压电阻R2、R3是水路等效电阻一、建立水路系统等效电路模型水管编号计算实长(mm)管内径(mm)冷却水电导率（μS/cm）电阻(MΩ)R1204.6320.526.34701.4290.5R265270.52.27R3344.860.5243.9R进水640.0740.52.98R出水640.0740.52.981856.2740.58.631916.2740.58.91水路等效电阻计算水路等效电阻是根据R=ρ*L/S算出的，水的电阻率都按最大值0.5us/cm取的阀组件内均压分析均压电阻Rdc两端的电压即IGBT截止时两端承受的电压，经过仿真，可得各个IGBT两端的电压相差最大没超过10V，基本可认为实现均压V13V12V11编号电压（v）V111953.7V112954.3V113955V114955.8V115956.8V116957.8V117959.1编号电压（v）V121952.5V122950.8V123949.4V124948.6V125948.4V126948.7V127949.6编号电压（v）V131951.5V132950.2V133948.9V134948.3V135948.1V136948.6V137949.5二、均压分析阀组件间均压分析V1截止，V4导通时，水路主系统等效电路如图所示这里画的阀组件用的是简化模型，实际仿真是用的是完整阀组件模型，每个IGBT都有列出。二、均压分析阀组件间均压分析V1三个阀组件V11、V12、V13截止时的电压分别是均压电阻两端电压经过仿真，如下表阀段编号两端承受电压（v）V116692V126655V136651由表3可以看出，V11、V12、V13三个阀组件电压相差最大不超过50V，平均到各个IGBT的电压差很小，也可认为基本实现均压。阀组件内冷却水管电气参数和电流水阻阻值/MΩ端电压/V电流/μA电流密度A/m2支水管R31108.41066.79.840.15支水管R32108.41342.012.380.19支水管R33108.41628.215.020.24支水管R34108.41931.717.820.28支水管R35108.42252.620.780.33支水管R36108.42594.023.930.38支水管R37108.42961.527.320.43支水管R38108.43356.130.960.49支水管R212.27337.1148.50.26支水管R222.27308.71360.24支水管R232.27274.71210.21支水管R242.27233.81030.18支水管R252.27186.982.320.14支水管R262.27132.558.350.10支水管R272.2770.4310.05二、均压分析阀组件间冷却水管电气参数和电流水阻阻值/MΩ端电压/V电流/μA电流密度A/m2R进水2.976659221.40.0515R出水2.976470157.90.0367R进水’8.631571182.00.0423R出水’8.911613181.00.0421R126.3386564249.20.3773上表分别为阀组件间水阻对应的最大端电压和电流。根据文献提供的数据，在长时间正常运行的情况下，换流阀层间的水管最大泄漏电流为4mA，对应的最大电流密度是2.41A/m2。比此处的结果大，推断此阀层间水路系统实现了绝缘。二、均压分析三、分析是否需要加入电极图中，E11、E12、E21、E22为电极，S为散热器，P为支水管。对于本系统，电压等级不高，只有10kV，经过计算和仿真，我们可以认为阀组件间、阀组件内都基本实现了均压，说明了静态均压电阻RDC起到了很好的均压效果，所以考虑可以不加入电极。但是对以后的500kV系统就应重新考虑是否加入电极。阀组件两端对应位置电极设置示意图四、IGBT短路故障时水路分析当V11阀组件内部V114短路时阀组件内部的等效电路四、IGBT短路故障时水路分析IGBT电压IGBT电压IGBT电压V1111003V1211001V131999.6V1121004V122998.5V132997.7V1131005V123997.1V133996.4V1140V124996.2V134995.7V1151007V125996V135995.6V1161009V126996.3V136996.1V1171011V127997.2V137997.1V114后短路，各个IGBT两端电压都有所增高，几十伏左右，但仍远小于IBGT截止时所能承受的2500V电压。而且除了V114两端电压为零，其他IGBT两端电压分布均匀，可认为实现均压。阀组件内均压分析四、IGBT短路故障时水路分析水阻阻值MΩ端电压V电流μA电流密度A/m2R31243.91062.39.80.15R32243.91615.214.90.23R33243.92200.520.30.32R34243.92840.126.20.41R35243.92525.723.30.37R36243.93273.730.20.47R37243.94086.737.70.59R38243.94997.246.10.72R212.27451.71990.35R222.27417.71840.32R232.27372.31640.29R242.27311.01370.24R252.27258.81140.20R262.27190.7840.15R272.27104.646.10.08此处的最大电流密度都小于2.41A/m2，推断此时阀组件内水路系统仍实现了绝缘

四、IGBT短路故障时水路分析IGBT正常运行V111短路V114短路V117短路V111954.7010031003V112955.2100210031003V113955.9100310041004V114956.9100401005V115958.2100510071007V116959.7100610081008V117961.5100710100不同IGBT短路时阀组件内电压对比不同IGBT短路时，除了被短路的IGBT，其他电压情况变化不大。而且其他IGBT两端电压变化不大，分布均匀，可认为短路时实现均压。四、IGBT短路故障时水路分析当发生某个IGBT短路时，阀组件内水管电流密度最大不超过0.5A/m2，与正常运行时相差不大。仍可实现绝缘五、水管与散热器接头处绝缘与腐蚀分析水管与散热器两种接头（a）金属外套接（b）金属内套接五、水管与散热器接头处电场分析有限元建模时取细水管R3一段的直线段部分约12mm，与之连接的金属水管的电位取10kV，另一端的电位经分压计算约为9.884kV水管与散热器连接时，是以细水管套接在散热器的金属管内，下面分析水管与金属管接头处的电场强度。有限元建模图五、水管与散热器接头处电场分析电场线图电场局部云图金属外套接结果图五、水管与散热器接头处电场分析水管边界电场变化曲线金属水管电场变化曲线电场强度最大为197kV/m，出现在塑料水管处，远小于塑料水管的击穿场强3000kV/m。金属接头处最大场强是3.5kV/m，电流密度为0.175A/m2金属外套接结果图五、水管与散热器接头处电场分析电场线图电场局部云图金属内套接结果图五、水管与散热器接头处绝缘与腐蚀分析水管边界电场变化曲线电场强度最大为57.76kV/m，出现在金属水管处，电流密度为2.88A/m2金属内套接结果图套接联接金属管外套接出现部位金属细水管最大电场强度（kV/m）3.5197最大电流密度（A/m2）0.1759.85金属管内套接出现部位金属细水管最大电场强度（kV/m）57.765.7最大电流密度（A/m2）2.880.285五、水管与散热器接头处绝缘与腐蚀分析两种接头方式对比总结1经过初步分析，水路阀组件内各IGBT所承担电压不