热管冷却整流柜的设计与应用

1、热管冷却整流柜的设计与应用徐农，朱必良，陈小明（葛洲坝水力发电厂，湖北宜昌市 443002）摘 要 本文介绍了热管技术的原理和特点。根据葛洲坝水利枢纽工程“黑启动”功能的需要，把热管散热器应用在励磁整流装置上，并结合志发公司 20MW 机组参数的技术要求，设计制造并已投入运行热管冷却方式可控硅整流柜。关键词 水轮发电机组，励磁装置，热管冷却整流柜 rectifier cubicle cooled by head pipe中图分类号 TM312 文献标识码 B 文章编号 1000-3983(2005)07-Design and Application of Commutation Chamber

2、 Cooled By Thermal Tube (Rectifier Cubicle Cooled by Head pipe)XU Nong, ZHU Bi-liang, CHEN Xiao-ming(Gezhouba Hydraulic Power Plant, Yichang 443002, China)Abstract: The principle and character of thermal tube technology are presented in this paper. To meet the demand of black start required by gezho

3、uba water conservancy hinge project, thermal tube radiator is applied to excitation and commutation device. According to the technical specification of 20MW units, commutation chamber cooled by thermal tube was produced and put into operation.Key words: hydrogenerator; excitation device; commutation

4、 chamber cooled by thermal tube (rectifier cubicle cooled by head pipe); 0 引言志发电力公司 20MW 水轮发电机机组，作为葛洲坝水力发电厂的保安电源，除要求具备开停机快速方便、运行稳定可靠等基本条件外，尤其要求其励磁装置具有“黑启动”功能，即该保安电源能在葛洲坝电厂机组全停、整个枢纽都没有外来电源的情况下能够起励升压，为葛洲坝电厂的机组提供厂用电源，以确保整个枢纽的安全。现在流行强迫风冷形式的可控硅整流装置不能够满足“黑启动”功能的要求。为此我们开发了自循环热管冷却整流柜，并于 2004 年 1月投入运行，很好地解决了

5、此问题。1 热管技术原理热管的定义是：在封闭的真空腔体内，通过工作介质的相变进行热量传递的一种元件。其工作过程为：工作介质在热管的蒸发段吸收外部热量，液体沸腾形成蒸气（发生相变） 。因为腔体内部为真空状态，阻力很小，工作介质的蒸气在很短的时间内就会到达热管的冷凝段。在冷凝段，工作介质释放热量，蒸气冷凝变成液体（再次发生相变） ，工作介质的液体通过管内吸液芯的毛细作用回流到热管的蒸发段，完成一个工作循环。热管工作时，其工作循环是在连续不断地进行着，不断地将热量传递出去。热管作为一个密闭封焊的蒸发冷却器件，由密封管、吸液芯和蒸汽通道组成。其中吸液芯由多孔物质组成，其原理是靠毛细作用使液相工质（工作

6、液）由冷凝段回流到蒸发段，并在蒸发段沿径向均匀分布。制造时，管内抽成负压后充以适量的可以汽化的工业液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体，并加以密封。由于液态介质的蒸发潜热大，同时蒸汽的流动阻力小，所以能够在温差较小的蒸发端至冷凝端间传送大量热量，亦即热管冷却装置的有效导热系数非常大，具有良好的冷却效果。此外，由于热管是一个所谓的“自治”系统，它利用蒸发和毛细现象进行介质循环，不需要借助泵等外力，所以免除了风机等旋转部件。运行时没有噪声，且具有很高的可靠性。 热管在进行相变过程中吸收和释放大量的热量，因此与其他散热方式相比，热管具有以下几个优点：(1) 热响应速度快 由于热管壳体内部

7、为真空状态（一般为 110-3Pa）, 工作介质的相变温度远低于常压下的沸点温度（启动温度低） ，内部流体的流动阻力小。因此，热管的传热系数一般为金属银的 401000 倍。(2) 等温性能好 由于具有非常高的导热性能，因此热管的等温性能是其他材料所无法比拟的。一般一根长 10m 的热管，其两端温差为 23。(3) 运行安全可靠，不污染环境 热管的工作介质在封闭的腔体内进行工作，封口采用国际先进的焊接技术。其工作寿命一般为 1520年，所采用的制造材料不会对环境产生任何的污染，是一种环保产品。2 热管散热器 目前常用的散热器采用空气冷却方式，空气冷却方式包括“自冷”和“强迫风冷”两种。 （1）

8、自冷式散热器 所谓“自冷式”冷却是通过空气的自然对流及辐射作用将热量带走。这种散热效率很低，但是由于其结构简单、无噪声、维护方便，特别是没有旋转部分，所以可靠性高，但其多用在容量较小的整流设备上。 （2）风冷式散热器风冷式散热器主要用于额定电流在 200A2000A的器件。风冷式散热器的特点是散热效率高，其传热系数是自冷式散热效率的 2-4 倍。但采用风冷需配备风机，因而有噪声大、容易吸入灰尘、可靠性相对降低、维护困难等缺点。在风冷装置内部的冷却风速标准值为 6m/s，若风速小于该值时，应根据制造单位所提供的资料选取对应于实际风速的热阻。（3）热管散热器所谓热管系列散热器就是用热管技术制作的散

9、热器，它作为可控硅的热流通路，使其发出的热量能尽快地发散出去，从而保证可控硅运行时，其硅元件内部的结温始终保持在允许的结温之内。 这种以液体循环蒸发及凝结过程中进行散热的热导管交换器，其冷却性能较纯铝型材散热器有优异的热传导性能和较低的热阻，能够有效地改善晶闸管的散热条件，特别适合大功率晶闸管的散热，提高晶闸管和成套装置的输出能力。不使用冷却风机（装置虽然设计有低噪音轴流风机，但在额定电流以下不需要风机即可安全运行） ，降低装置运行时的震动和噪音。因此，本装置没有像其他强迫风冷方式的整流装置那样设置密闭风道和大容量风机，装置内部简洁、明析，同时也减少积尘，减少设备的日常维护，确保设备的绝缘水平

10、。其主要特征有： 很高的热传导能力，相同重量下比银、铜、铝可多传递几个数量级的热量； 良好的表面等温性，可造成均温环境，在不同的热流密度条件下，可维持不变的蒸发表面温度； 无外附加辅助设备，结构简单、质量轻、工作可靠且维修简单，因此，减少了噪声污染，创造绿色运行环境，对提高运行可靠性有着明显的优势。3 热管冷却整流装置的设计 志发电力公司20MW水轮发电机机组，其额定励磁电压为234V，额定励磁电流为481A，阳极电压为420V。为了使该机组在具备黑启动功能的同时，又要保证正常情况下能够长期稳定运行，我们结合热管散热形式的特点，对整流装置进行了系统的优化设计。 （1）热管散热器的选型及结构热管

11、散热器的设计，主要包括结构设计和冷却介质的选择。散热器结构选择主要考虑以下几个方面的因素：辅助设备的能耗、体积和重量，装置的复杂性和操作的难易程度，装置的可靠性、可用性和可维护性。而冷却介质的选择则应考虑电气绝缘性能、化学稳定性、对材料的腐蚀性、对环境的影响和易燃性等。综合上述考虑，并结合可控硅及其整流柜特点，我们在热管产品上采用了先进的 RZG 系列回路式结构，实现了气、液分流，从而解决了普通热管结构工作时，气、液混流引起的相互干扰问题，将热管的传热效率提高了 23 倍。其结构的工作原理简图如图1 所示。RZG 系列回路式热管产品，具有传热效率高、等温性能好、体积小、重量轻等优点。热管功率组

12、件性能参数： 工作环境条件 储存温度：4050；使用温度：40120；湿度：12%95%；海拔高度：1000m 以下图 1 回路式热管结构原理图冷凝腔冷凝腔蒸发腔 热管功率组件冷却形式：自然冷却。 热管功率组件换热面积 RZG-10 型热管功率组件换热面积 S12；RZG-16型热管功率组件换热面积 S22。 热管功率组件热阻 RZG-10 型热管功率组件热阻 RSA1/W；RZG-16型热管功率组件热阻 RSA1/W。 （2）可控硅元件的选型设计 通态平均电流 IT(AV)选择：本励磁系统额定电流设计为 1000A，额定输出电压为 800V。考虑 1.1 倍长期稳定运行，故连续输出最大直流电

13、流 1000=1100(A)fddII1 . 1max 结合强励的需要，短时允许输出最大直流电流Ifd=1000=1500(A) 桥臂平均电流 IA(AV)=1/3Ifde IA(AV) =1/31500A=500A 桥臂有效值电流 (A)86650033)(AVArmsII 可控硅通态平均电流 (A)6 .55157. 186657. 1rmsTAVII 在额定工况下电流裕度系数 Ki(A)13796 .5515 . 2)(TAViAVTIKI 取标准值 IT(AV)=1500A 断态重复峰值电压 URRM选择： 反向重复峰值电压 URRM选择应使每臂元件承受的最大反向电压小于元件实际承受的

14、反向重复峰值电压。 反向重复峰值电压按进ARMRRMUKKKUbCGU行选择。式中：UARM阳极电压峰值；KU电压裕度系数，按技术规范应 1.3，取 2.0； KCG过电压冲击系数，取 1.5； Kb电压升高系数，取。所以 (V)196042021 . 15 . 10 . 2ARMRRMUKKKUbCGU取整后选用 URRM=2000V。另外，根据整流柜允许的过电压倍数和可控硅最大储存电荷等值，还可以计算可控硅阻容参数，这里只是取典型参数：电容 1F，电压 1000V，电阻 100，功率 100W。（3）热管整流柜整体设计根据上述所选的热管结构和可控硅元件的参数，志发电力公司热管冷却可控硅整流

15、柜，采用单柜单桥结构，即一个整流柜内布置一个三相全控可控硅整流桥电路，其输入输出侧均装设刀闸，并配置 RC 阻容吸收网络，配合 ZnO 过电压保护组件抑制换相尖峰过电压。设有运行状态指示，配置输出电流、阳极电压表，整流柜故障硬接点输出信号，如温度越限、快熔熔断等。另外，配有脉冲组件即脉冲放大器、脉冲变压器等，以便同励磁调节器连接。为了防止可控硅在大功率运行状况下温度太高，配置有温度传感器和备有低噪小功率风机，当散热器温度达到设定值后，便自动启动风机。整个柜体布置合理，接线简单，检修维护方便，其整体结构如图 2 所示。 过电压保护安装板 6501000850100023602300整流组件前门备用风机脉冲组件快熔、连接母线摇门二次元件板脉冲组件 图 2 热管冷却可控硅整流柜整体结构5 热管整流柜热管整流柜运行情况总结运行情况总结志发电力公司热管冷却可控硅整流柜投运后，运行状况良好。由此表明，该整流柜设计计算正确，器件选型合理，在线实时显示桥臂散热器表面温度仅比可控硅元件温度低 4K 左右，确实具有很高的热传导系数。其桥臂均流系数超过 0.90，达到了设计要求。同时，该热管整流装置投运后，配合葛洲坝水利枢纽工程进行了“黑启动”模拟试验，取得了圆满的效果，真正起到了保安电源的作用。参 考 文 献1 鞍山科创自动化研究所. 热管