适用于抽水蓄能机组的自冷热管功率柜设计与应用

刘丽丽，万 泉，余 振

（国电南瑞科技股份有限公司，江苏省南京市 211106）

0 引言

近年来，我国抽水蓄能电站建设快速发展，2016年抽水蓄能运行电站装机容量达到2773万kW，在建机组容量3095万kW，我国已成为全球抽水蓄能电站装机容量最大的国家，并且后续国内将大规模推进抽水蓄能电站的建设。由于抽水蓄能机组启停及工况转换操作频繁，使得风机的启停次数增加从而缩短使用寿命，增加了励磁设备整体运营成本与风机的维护工作。若励磁功率柜内部积尘多和滤网堵塞的问题，会造成功率柜整体绝缘性能降低及功率元器件温度异常，严重时甚至导致可控硅损坏。此外，常规风冷励磁功率柜在运行中存在振动大、噪声大、容易积灰等问题，柜内元件需要经常清扫，防尘滤网需要定期清洁，给现场检修人员造成极大的维护工作量。本文摆脱传统的设计手段，依托虚拟设计方法合理的配置选型，同时对结构风道深入优化，充分挖掘热管自冷功率柜的出力潜力，提高了抽水蓄能机组励磁系统的安全可靠性。

1 热管功率柜的关键技术

散热器的热阻由材料的导热性和体积内的有效面积决定。实体铝或铜散热器在体积达到0.006m3时，加大体积和面积也不能明显减小热阻。对于双面散热的分立半导体器件，风冷的全铜或全铝散热器的热阻只能达到0.04℃/W。而热管散热器可达到0.01℃/W。热管是一种靠流体在一端蒸发，而在另一端冷凝来传送热量的独立设备。由于热管内的纵向热传导是靠蒸汽来完成的，适当的内部结构可提供足够的蒸汽压力，加之水的蒸发比热很大，因此在传输很大的热流时，两端并不产生很大的温降，在传热原理上与金属的热传导有着本质的不同。在某些应用范围内热管可以看成是一种最佳组合的工程结构，热管的导热性极高，高达纯铜导热能力的上百倍，有“热超导体”之美称。热管散热器就是利用此种热管的高导热性能，将发热器件的热量通过热管传导到翅片上，达到大面积散热的作用。热管又分重力型热管和环形热管，其中，重力热管散热器采用铜管水平倾斜10°放置，在铜管上压接散热铝翅片，纯水作为传热介质，在常压下，其沸点为100℃左右，在负压下，其沸点则在40℃左右[1，2]。

1.1 流体力学（CFD）仿真

传统励磁功率柜通常采用热路法进行设计，器件热阻与材质、结构及换热流量等因素呈非线性关系，同时风阻的大小取决于功率柜的结构布局，整柜散热能力难以准确计算，需要通过试验进行反复验证。设计变更后需再次进行试验检测，导致试验费用高、研发周期长，且部分试验环境难以搭建。首次运用基于虚拟设计技术搭建了热管自冷功率柜的物理模型，获得功率柜内热场及流场分布情况，为结构设计及优化提供有力支撑。

仿真采用多面体网格，降低对几何变形的敏感度，精确地反映了热管的传热过程。在此基础上综合考虑各元器件材质及空气的物理特性，对热管的导热系数及器件接触面的传热系数进行优化，提高了建模精度。通过仿真可获得整柜进出风口空气流量、热传递及流体云图等数据。在设计初始阶段获取整柜特性，为功率柜的元器件选型及结构优化提供有力支撑，降低产品开发周期及成本。其流程图见图1，具体步骤如下：

图1 搭建有限元热分析模型流程图Fig.1 The flow chart of finite element thermal analysis model

（1）利用计算机辅助设计软件建立热管散热功率柜的几何模型。

（2）将几何模型导入到计算流体力学软件，利用计算流体力学软件对所述几何模型进行网格剖分，建立热管散热功率柜的有限体积模型。

（3）建立热管散热功率柜的物理模型。

（4）设定边界和初始条件。

（5）由计算流体力学软件计算气体流动和热传递过程，包括各处气体速度分布和温度分布。

（6）达到热平衡状态时，读取热管散热功率柜的温度分布。

（7）读取可控硅的结温，进行结构优选[3]。

图2为重力型热管的热场分布图。图3为整个热管自冷散热功率柜的热场及流场分布图。

图2 重力型热管热场分布Fig.2 Thermal field distribution of gravity heat pipe

图3 整柜流场热场分布Fig.3 Thermal field and flow fiele distribution of cabinet

1.2 并行导流结构设计

提出“自冷换热模式发热器件错列布置”的模块化设计理念，根据功能及发热功耗将各模块进行分层，实现发热源上下侧流体均匀分布，降低了整柜核心器件的温升，提升了功率柜的使用寿命及出力能力。利用精确的流场及热场分析手段，创建了具有烟囱效应的风道模型，解决了自然冷却方式存在风速低、换热量小、流阻大、易发生湍流等问题。造成空气加强对流的现象，提高了散热效率，提升了核心器件的出力，图4为并行导流结构示意图。

1.3 热保护策略

图4 并行导流结构示意图Fig.4 The schematic diagram of parallel diversion structure

自冷方式、热管散热能力及功率柜体积等因素在一定程度上制约了功率柜的出力能力。当发生环境温度超出设备正常运行范围、桥臂故障及散热辅件失效等异常工况时，需提高热管功率柜的散热能力来保证功率柜及机组的正常运行。目前热管功率柜热保护策略中，热保护条件判定单一，不能完全涵盖功率柜的所有热保护条件，仅依据功率柜柜内温度判定是否启动备用风机，这种判定条件片面，如果信号采集设备故障，可能导致热保护策略失效，在某些需要热保护的情况下不能有效地进行辅助散热，导致元器件和装置性能下降。因此，制定完备的热管自冷功率柜的热保护策略至关重要。

提出了热管自冷功率柜热保护策略，辑判定规则主要针对6种异常情况采取启动备用风机散热保护措施：功率元件壳温高、进出口温差大、环境温度高、柜内温度高、功率柜过流和快熔熔断，其中快熔熔断为不可恢复异常，其余情况为可恢复异常，6种情况存在冗余判定。当上述6种情况至少有1种情况发生，启动备用风机进行散热。当备用风机启动散热后，达到散热效果后，5种可恢复异常情况消失后，备用风机停止工作；针对不可恢复异常情况，如果达到散热效果后，元件壳温高、功率柜过流、柜内温度高3种可恢复异常消失后，备用风机停止工作。热保护信息全面，可以有效地在热管功率柜6种异常情况下，采取热保护措施，且异常条件中具有冗余判定，保证热保护的可靠性，图5为热管功率柜热保护策略逻辑图。

图5 热管功率柜热保护策略逻辑图Fig.5 Logic diagram of heat protection strategy for heat pipe power cabinet

2 试验

通过励磁功率柜试验平台对基于虚拟设计开发的热管自冷功率柜进行低压大电流试验，着重模拟了热管自冷功率柜各负载状态下试验工况，并对虚拟设计结果进行验证。

综上所述，鼓励和倡导案例教学法并不是对传统课堂理论讲授方法的全盘否定，更不是在所有课程的教学过程中都要进行案例教学，而是要将传统的教学目标由讲授好该门课程改变为提高学生分析与解决问题的能力。而这一变化首先是观念上的转变，将教师的角色转换为“引导者”和“启发者”，将学生的角色转换为“积极参与者”，从而能够充分调动学生学习的积极性，引导学生自主思考，使学生具备能够利用所学知识与理论解决实际问题的能力，最终全面提高综合应用能力与创新精神。

2.1 额定出力能力

仿真结果：图6为1600A时的仿真曲线，环境温度27℃，最高结温在1200s左右逐渐趋稳在78.16℃，最高结温温升为51.16℃，折算到最高壳温升为45.16℃。

图6 1600A自冷工况下可控硅外壳温升仿真曲线Fig.6 Simulation curve of temperature rise of thyristor shell under 1600A self-cooling condition

图7为样柜大电流试验的可控硅壳温升，环境温度17.50℃，直流输出1659A，可控硅最高壳温升45.30℃。对比仿真数据与试验数据，仿真误差在2%以内。

图7 1659A自冷工况下可控硅外壳温升试验曲线Fig.7 Test curve of temperature rise of thyristor shell under 1659A self-cooling condition

2.2 风冷状态额定出力能力

图8为开启备用风机状态下可控硅壳温升，环境温度19.50℃，直流输出3237A，可控硅最高壳温升45.40℃。

图8 3237A风冷工况下可控硅外壳温升曲线Fig.8 The temperature rise curve of thyristor shell under 3237A wind-cooling condition

2.3 强励能力

图9为强励电流5200A出力1min时的壳温升曲线，1600A额定出力热稳后进行强励试验，无风强励1min时最高壳温升为60.71℃。

图9 5200A工况1min强励时可控硅外壳温升曲线Fig.9 The temperature rise curve of thyristor shell under 5200A 1min forced excitation

3 抽水蓄能机组热管功率柜配置

以300MW的抽水蓄能机组励磁系统为例，机组额定励磁电流为1800A，自冷热管功率柜单柜出力为1600A。正常运行时热管功率柜自冷运行，当满足热保护条件时开启备用风机，开启备用风机后，自冷热管功率柜单柜出力可达3200A。若配3个功率柜：

（2）N-2运行时，要求1.1倍额定励磁电流长期运行，单柜输出：

式中IfN——发电机额定励磁电流，A；

K1——均流系数。

配置3个热管功率柜，在N-1状态下强励及N-2状态下1.1倍额定励磁电流长期运行时，开启备用风机，满足设计要求。目前，本文中相关技术及产品已准备在回龙抽水蓄能机组励磁系统上进行推广应用，目前励磁系统已完成各项试验运达现场[4，5]。

4 结束语

结果表明，流体力学（CFD）仿真与试验结果对比，误差在2%以内，可以作为散热设计的主要依据。保护策略能够在各种异常状态下投入备用风机，提高功率柜的散热能力以保证功率柜正常运行。随着热管散热技术的发展与成熟，热管散热器具有良好的自冷散热性能，在抽水蓄能机组励磁设备中采用热管自冷散热技术，完全可以替代风冷散热方案，取消了大功率风机，提升了设备运行的可靠性，一方面可以响应国家节能减排的政策，另一方面也可以节约电厂的生产成本，提高电厂的运行效率，具有重要的推广价值。