一种高压防爆SVG用水冷却装置的设计

姜源，李虎，苑令华

(1.兖矿东华重工有限公司 邹城炉具制造分公司， 山东 邹城 273500； 2.兖州东方机电有限公司， 山东 邹城 273500)

0 引言

矿用隔爆兼本质安全型链式静止无功发生器(SVG)应用于煤矿井下爆炸性环境中，可补偿无功电流，稳定电源电压，改善设备供电环境，近年获得广泛应用[1]。受设备防爆设计影响，井下设备的散热系统设计受到诸多制约，如何在保证防爆性能的前提下做好散热系统设计，保证高压设备串联模组间及对地电气绝缘设备安全、稳定运行，是设计防爆型电力电子设备时必须考虑的问题。

矿用隔爆兼本质安全型链式静止无功发生器水冷散热装置的主要作用是对功率元器件(IGBT)进行散热[2-3]。功率器件运行的稳定性决定了整个SVG的运行性能，而温度对功率器件的性影响较大，因此，散热装置的散热性能直接决定了SVG的性能和可靠性。

本文设计的矿用高压隔爆SVG水冷却装置[4]，用于矿用高压隔爆SVG功率器件的散热。该装置包括内水循环水路、外水水路、水-水板式热交换器，内水循环水路和水-水板式换热器安装在防爆壳体内，外水水路接口预留在防爆壳体面上，两循环水路通过水-水板式热交换器交换热量，静止无功发生器壳体内散发的热量直接通过外水水路带出。

1 工作原理

该水冷却装置水路分为内水循环水路和外水循环水路，如图1所示。内水循环水路中冷却介质由主循环泵升压后流经水-水板式换热器，得到冷却后，进入被冷却器件、将热量带出，然后回到主循环泵，形成密闭式往复循环。水-水板式换热器作用是将内冷却水的热量交换给外循环水，由外循环水将热量带出。

图1 水冷却装置系统原理框图

IGBT模组、内水循环水路位于防爆壳体内部，通过不锈钢管道与外部供水部分连通，不锈钢管道及连通区域与防爆壳体一并进行爆炸试验测试，确保满足防爆性能要求。内水采用去离子水，并设置去离子装置，解决了散热系统对高压SVG各项串联模组间及对地绝缘性的影响。

2 系统组成

水冷却装置系统由外循环水路、水-水板式换热器、内水循环水路、控制检测部分组成,其结构组成如图2所示。

图2 水冷却装置系统组成图

2.1 外循环水路

外循环水路包括外水压力变送器、外水温度压力变送器、水泵、散热风机,外循环水路图如图3所示。从热源出来的热水通过一个水风换热器降温，进入储水水箱，经泵增压后送出，循环利用。当循环系统发生故障时，热水可以手动切换，直接送给热源，回流的热水排出，不循环利用。为满足设备的防爆性能要求，外水水路通过不锈钢管与水-水板式换热器相连接，外接冷却水可接至井下供水管路。

图3 外循环水路图

2.2 内水循环水路

内水循环水路由水冷系统本体和内循环水管路组成，水冷系统本体主要由冷却水循环水路(主循环泵、主循环过滤器、脱气和稳压装置、补气装置、电加热器及各压力、温度变送器)、电动三通阀、去离子回路(离子过滤器和精密过滤器)、注/排水回路构成,内水循环水路见图4。外部管路部分包括被冷却器件供水管路、回水管路及控制阀。

1-板式换热器;2-循环泵;3-加热器;4-阀门;5-缓冲器;6-离子交换器

冷却水循环水路主要由主循环泵、主循环过滤器、脱气和稳压装置、补气装置、电加热器、各种控制阀门及压力、流量、温度检验变送器组成。

为避免系统在运行过程中产生的气体导致主循环泵汽蚀，在密闭式纯水冷却系统中配置脱气罐。由于环境温度的变化会造成系统水容积的变化，因此需要一个稳压系统来缓冲冷却介质因温度变化引起的体积变化。本装置将脱气和稳压装置合并成缓冲罐，流经被冷却器件水冷板的换热介质在进入主循环泵之前先进入缓冲罐，由于流入缓冲罐后流速降低，使得流体介质中的气体得以分离析出。缓冲罐内预充空气，缓冲冷却介质的体积变化。

电动三通阀的作用是调节流经空气散热器的冷却水流，用于冬天温度低及被冷却器件低负荷运行时的冷却水温度调节，避免冷却水温度过低。

去离子回路并联于主循环回路中，包含离子过滤器和精密过滤器。通过对冷却介质中离子的不断脱除，达到长期维持极低电导率的目的。离子交换树脂采用非再生树脂，专用于微量离子的去除。

水冷装置内置补液接口，初次使用或缓冲罐液位降低至补液液位时，需将补液泵接入补液接口，进行补液。机械式补液泵另置于水冷装置外部。为方便检修、维护及保养，水冷系统管道的最低位置处设置了泄空阀，方便排除系统中的冷却介质。

2.3 水-水板式换热器

水-水板式换热器由不锈钢板片将热水管路和冷水管路重叠压制而成，水冷系统正常工作时，热水被输送入板式换热器热侧通道，通过不锈钢板片将热量传递到板式换热器冷侧通道内的外循环介质(外水)中。水-水板式换热器结构示意图见图5。

图5 水-水板式换热器结构示意图

2.4 控制及检测系统

冷却系统中各机电单元及传感器由PLC自动监控运行，实现水冷系统的采样、监控及通信功能，采用MODBUS总线方式通信，在线运行参数可在人机界面实时显示，控制流程见图6。系统运行参数和报警信息即时传输至被冷却器件的主控制器，并可通过主控制器远程操控水冷系统，实现冷却系统与主机无缝接合。

对实时性要求较高的远程控制信号和水冷系统报警信号通过开关量接点与被冷却器件监控系统进行通信，对信息量较大的在线参数、设备状态监测及水冷系统报警信息通过MODBUS方式与被冷却件监控系统进行通信。

开关输入量主要包括远程启动/停止水冷信号，开关输出量主要包括预警、跳闸、水冷启/停状态、水冷系统综合故障、直流控制点掉电及请求停水冷等信号。

图6 控制流程图

3 系统应用

该水冷却装置适用于矿用防爆高压静止无功发生器、矿用防爆高压变频器等采用低压单元串联形成高压电力电子设备。图7是该装置应用于兖矿集团的3.3 kV、2.5MVAR矿用隔爆兼本质安全型链式静止无功发生器的实物照片。实际应用结果表明，该系统完全满足防爆SVG的散热要求，满足高压系统对地绝缘的要求，并且该水冷系统体积小，满足井下狭小密闭空间的散热要求。

1-备用泵;2-主循环泵;3-补水箱

4 结论

本文介绍了一种矿用防爆SVG用水冷却装置，详细地描述了该系统的工作原理及系统组成。该系统的成功应用满足了防爆SVG功率等级不断增大的需求，解决了散热系统影响高压SVG各项串联模组间及对地绝缘性的问题。该水冷却系统散热效率高，能够提高链式静止无功发生器装置运行的可靠性，能够延长设备使用寿命。

相比强迫风冷装置，该系统噪声较小，实现了全封闭系统设计，能够较好地适应煤矿等类似的恶劣运行条件。水冷系统结构和控制简单，大幅缩小了矿用隔爆链式静止无功发生器的体积。该系统在矿用高压防爆SVG中有很好的应用前景。