基于热管换热技术的新型阀冷主泵电机端盖的设计

马修伟，李帅兵，赵 阳，彭华坤，张 鹏

（国网河南省电力公司直流中心，河南 郑州 450000）

1 阀冷系统

换流阀有3种冷却方式，分别是风冷、油冷和水冷。其中风冷和油冷是早期直流输电工程所采用的方式，20世纪80年代后则几乎全部采用水冷方式。纯水具有良好的绝缘性和导热性，非常适合作为换流阀的冷却工质。目前换流阀水冷系统制造技术成熟、冷却效果理想、运行经验丰富、检修维护方便，已经成为直流输电工程换流阀冷却的主要方法。

换流阀水冷系统由内冷系统和外冷系统2部分组成。内冷系统是一个密闭的回路，通常采用纯水或纯水与乙二醇的混合物作为循环工质。内冷系统包括主循环回路、去离子回路、氮气稳压回路和补水回路。主循环回路流经主循环冷却水泵（以下简称主泵）、主过滤器、电加热器、脱气罐等，进行换流阀的降温。其中主泵是驱动内冷系统的总动力源，是保证系统稳定运行的关键设备。通常采用卧式离心不锈钢泵，一备一用。去离子回路流经离子交换器、精密过滤器、流量传感器、电导率传感器等，进行冷却工质的净化。氮气稳压回路流经膨胀罐、氮气减压阀等，进行循环系统的稳压。补水回路由移动补水车供水，流经补水泵、补水罐、过滤器等，进行循环系统的补水。外冷系统分为空冷和水冷2种方式，通常是由换流站所处的地理位置决定的。以外水冷为例，外水冷系统由冷却塔、喷淋回路、喷淋水池、喷淋补水回路、喷淋水自循环水处理回路、喷淋加药和排水系统组成，对内冷系统循环工质进行降温。图1为简化后阀冷系统的示意图。

2 热管技术

热管又被称为热超导体，顾名思义是一种导热性极高的装置。热管技术在1944年由美国人GAUGLER R S提出，并于1963年由美国洛杉矶Los Alamos国家实验室的G.M.Grover正式命名，通过氨、水、丙酮、甲醇作为换热工质，利用蒸发与冷凝包含的相变潜热来进行热量传递[1,2]。通常热管由管壳、吸液芯和传热工质组成，分为蒸发段、绝热段和冷凝段3个部分。管壳封闭，内壁布有吸液芯，传热工质则在其中流动换热。工作时，液态工质在蒸发段吸收热量，汽化为蒸气，压力升高，在压力驱动下流向低压冷凝段。随后工质在冷凝段放热液化，并沿着管壁的吸液芯在毛细力作用下回流至蒸发段，完成循环。

热管在传递热量时伴随着工质在相变时吸收或释放的大量潜热，因此比普通热导体（如金属）具有更高的导热效率。例如一根直径为20 mm的铜-水热管，其导热能力是同直径紫铜棒的1 500倍[3]。又因为相变时工质温度近似恒温，因此热管具有良好的等温性，可实现微小温差内的传热。且热管的传热方向可逆，其任意一端都能作为蒸发段或冷凝段使用。

热管结构简单、无运动部件，因此工作时无噪音、损耗小，运行安全可靠。热管外形具有可塑性，因此可将其集成化做成小型导热元件，也可以延展做成远距离传热装置，还可根据不同使用情况来改变蒸发段与冷凝段的传热面积，适配各种环境工况。图2为热管工作的传热示意图。

热管由于其优秀的导热能力、恒温能力和外形的可塑性，在各个领域都得到了广泛的应用，小到微型电子元器件的散热，大到家用热管式太阳能热水器，甚至在航天领域给人造卫星、空间站的向阳面和背阴面进行热量传递，皆有热管技术的用武之地。此外，在输油管线工程、空调余热回收和火电站空气预热等方面，热管应用也比比皆是，有效地节能减耗，创造了较高的社会和经济价值。

3 一种新型阀冷主泵电机端盖

换流阀冷却系统的总动力来自于主泵，主泵的长期稳定运行是保证整个冷却系统能够正常工作的关键，通常采用卧式离心不锈钢泵，一备一用。主泵动力又来自于其电机，因此主泵电机一旦出现异常，整个阀冷系统就无法正常运行。

主泵电机在工作时一般需要记录同轴度和温度2个方面参数，同轴度径向和轴向偏差应不大于0.1 mm，温度根据电机绝缘等级，分为AEBFH这5个等级，最高允许温度分别为105 ℃、120 ℃、130 ℃、155 ℃以及180 ℃[4]。阀冷系统主泵电机绝缘等级通常为F级，在155 ℃的工况下寿命可达10年，不过实际工况不会长期达到设计值，因此一般寿命在20年左右。

主泵电机在负载运行时所有的功率损耗最终都会变成热能，使电机温度升高，例如电机铁芯在交变磁场中产生的铁损，绕组通电后产生的铜损，还有一些其他损耗等等。如果长期运行在高温之下，电机的绝缘材料会急剧老化，使电机寿命严重缩短，甚至损坏。因此控制电机温度是保证电机长期正常运行的必要条件。

电机端盖作为固定转子轴空间位置、与固定电机定子的外壳相连的刚性元件，其铸造与加工工艺一般要求结构尽可能简单，便于成型，同时具有足够的强度和刚度，防止内应力过大，产生裂纹。电机端盖这种造型简单、大面积又具有高强度的工艺设计，加之与转子、外壳、电机内部空气直接接触，使之为应用热管技术提供了充分的条件。

图3是一种基于热管技术的新型阀冷主泵电机端盖的设计，采用铜-水热管，蒸发段布置在端盖轴承周围，通过吸收转子连接轴和内部空气传递的热量来进行散热，并设有温度传感器，实时记录端盖温度。热管冷凝端设计成翅片散热器形式，增大散热面积，提高散热效率。热管真空度由散热器前端的真空泵提供，端盖外热管部分设有真空传感器来记录管内实时压力。温度、压力、真空泵抽气速率和抽气量等信号连接至集成控制模块，方便数据采集和远程操作。

通过真空泵抽真空，工质压力达到相变点附近，并在蒸发段吸热汽化，利用相变传递大量潜热至冷凝段，再由散热器冷凝为液体，沿管壁吸液芯回流至蒸发段，如此循环。工质在相变点附近只要存在微小温差，即会发生相变，产生大量潜热，其传热系数、热流密度远高于端盖自身的金属导热，大大提高了传热效率。

4 工程应用

由于热管的传热效率是端盖自身金属导热的数百倍以上，而且可以在端盖和环境温差较小的情况下进行高效的热传递，并保持自身良好的等温性，不会产生额外的热应力对端盖造成不良影响，因此端盖结合热管技术作为给电机降温的方法具有良好的可行性。与此同时，热管结构简单，无动态部件，损耗低、噪音小，传热效率高、使用寿命长等特点，使之在运行和维护上不需要过于关注，具有较高的安全可靠性。

热管外壳一般为铜管或不锈钢管密封而成，吸液芯则由极细的金属铜丝或铜粉构成的多孔介质组成，依靠铜丝间隙的毛细作用力来回流液体工质。其间流动的传热工质根据工作温度范围的不同，可选用水、甲醇、氨、钠、萘等。图4为不同材料工作的温度范围[5]。

本设计采用标准铜—水热管，如图5所示。直径8 mm，管壳为纯铜材质，传热工质为纯水，额定功率80 W，热阻系数≤0.08 ℃/W，蒸发段和冷凝段传热系数为4 900～8 100 W/（m2·℃），启动温度15 ℃，允许温度范围0～350 ℃，理想温度范围20～200 ℃。通过真空泵抽真空，水的压力达到相变点附近，如图6所示，在电机端盖吸热汽化，压力升高，同时流向压力较低的散热器，并放热液化，再顺着管壁吸液芯的毛细作用回流至端盖，完成循环。相变传热能在微小温差内传递大量潜热，例如1 kg水在100 ℃时可以传递2 264 J的热量，远大于端盖铸铁自身的导热量，因此本设计能够很好地实现电机散热效果。

5 结 论

基于热管换热技术的新型阀冷主泵电机端盖能够利用传热工质的相变潜热排出大量热量，实现电机的有效降温，避免其因温度过高造成的使用寿命缩短或损坏，进而保障了整个换流阀冷却系统长期安全稳定的运行，同时热管结构简单、易于维护，具有很高的社会和经济效益。