柔直换流阀用相变冷却工质击穿特性研究

温英科 阮 琳,2

柔直换流阀用相变冷却工质击穿特性研究

温英科1阮 琳1,2

（1. 中国科学院电工研究所 北京 100190 2. 中国科学院大学 北京 100049）

相变冷却技术冷却效率高、安全可靠，有望攻克柔直换流阀散热瓶颈，实现其高压、大容量发展，在换流阀冷却领域具有良好的应用前景。为实现相变冷却换流阀绝缘系统可靠设计，该文设计研制了三相态相变冷却工质可调频绝缘特性测试专用平台，并以换流阀用相变冷却工质为研究对象，依据换流阀典型运行工况，利用专用测试平台开展了相变冷却工质三相态、50～300 Hz频率范围的绝缘击穿特性研究。得到了相变冷却工质击穿特性随工质相态及电压频率的变化规律，分析了相变冷却工质不同相态的击穿机理，揭示了工质相态和电压频率变化对冷却工质击穿特性的影响机制。研究工作不仅解决了高频下相变冷却工质的三相态耐压测试方法问题，且所得研究成果为相变冷却柔直换流阀的绝缘设计奠定了基础，同时可指导相变冷却技术在其他电力电子器件及装备上的应用。

换流阀 柔性直流输电 相变冷却 击穿特性 高频绝缘

0 引言

随着可再生能源的快速发展及其电能输送需求的不断提升，柔性直流输电技术广受关注，高压、大容量是其发展趋势[1]。柔直系统输送容量主要受其核心部件绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）结温的限制，温度过高、温度梯度过大以及长期热循环造成的疲劳退化都可能引发IGBT失效，进而威胁柔直输电系统的安全运行[2-3]。强化换流阀散热、控制IGBT模块温度水平，是实现安全可靠输电的重要保障和前提。

目前柔直换流阀多采用水冷散热，依靠冷却水比热吸热带走热量，换热能力有限。水冷系统在均压电极、水管接头等部位易发生腐蚀结垢，垢样堵塞会降低系统冷却效率，严重的可烧毁电气元器件，甚至引发火灾。为保障系统绝缘，内冷水需保持极高的纯度，但系统在长期运行中，内冷水易与金属管道发生电化学反应，产生导电离子破坏其绝缘性能。此外，循环管路运行压力高，冷却水泄漏风险高，系统存在安全隐患。同时水冷系统需配备水处理、循环泵等设备，系统复杂，可靠性低[4-5]。据南方电网公司统计，2015年换流阀及阀冷系统共发生3次故障，其中阀冷系统故障1次；发生15次紧急重大缺陷，其中9次由冷却系统导致。因此，探索新型高效的冷却方式以弥补水冷技术的不足对提升柔直系统输送容量及可靠性具有重要意义。

相变冷却技术利用高绝缘、沸点适中、安全稳定的环保有机工质受热沸腾时的气化潜热带走热量，换热效率远高于水冷方式，被冷却部件温升低，温度分布均匀。工质循环系统运行压力接近常压，降低了管路泄漏风险；同时相变冷却工质绝缘性能好，不燃不爆，从根本上避免了工质泄漏造成的安全隐患，系统可靠性高。无需水处理设备，系统结构简单；无需循环泵，系统自适应、自循环、能耗低。目前相变冷却技术已成功应用于发电设备[6-8]、低压电器设备[9]、大科学仪器[10]、IT设备[11]等领域，并已在电力电子装置[12-16]领域实现示范应用。相变冷却技术可实现高功率密度电力电子装备的高效冷却，有望为攻克柔直换流阀散热瓶颈及可靠性问题提供解决方案。

换流阀采用相变冷却技术，有机工质在换热原理、材料属性等方面与冷却水有本质区别。其最突出的特征为有机工质利用相变潜热实现高效散热，这意味着系统运行中，相变冷却工质并不是以单一液相存在，而是根据热源分布及冷却结构在系统不同空间位置液相、气液两相及纯气相工质三种工作相态（后文简称“三相态”）相互转化，自主调节，动态共存，每种工作相态又对应不同的工质主流温度及沸腾强度，工质运行状态复杂。

液相工质中气泡的产生会降低冷却工质绝缘强度，存在引发绝缘问题的风险[17]。在发热量集中的功率器件附近，冷却工质经常运行于气液两相状态甚至纯气相状态，形成了系统绝缘的薄弱环节。因此冷却工质的三相态绝缘击穿特性是相变冷却技术工程应用中重点关注的性能之一。中科院电工所牛文豪等设计了制冷用氟碳介质热致气液两相流击穿电压测量装置，得到了不同热流密度、不同系统压力下氟碳介质液相、气相及两相流状态的工频击穿电压特性，分析了气泡对击穿过程的影响，初步证明了环保型氟碳介质在变压器、气体绝缘输电管道（Gas Insulated transmission Line, GIL）等领域替代SF6气体的可行性[18-20]。华北电力大学莫申扬等研究了相变冷却技术应用于高压功率器件封装中的绝缘问题，测试得到了FC-72工质两相流的局部放电统计特性，分析了气泡运动对两相流放电特性的影响，并开展了相变冷却工质不同相态下的工频击穿特性研究[21-23]。

已有研究表明，目前相变冷却工质击穿特性研究尚未形成统一的实验方法，需要依据实际应用中的热源及电场分布情况通过特定的实验装置对冷却工质状态及电场进行模拟。现有公开文献中针对相变冷却工质击穿特性的研究均在工频下展开，然而对于换流阀及大多数电力电子装备，其通常运行于高于工频的某频率点或频率区间。当前工程中柔直换流阀多采用模块化多电平换流器（Modular Multi-level Converter, MMC）拓扑，其功率器件开关频率的典型值为100～300 Hz[24]，循环流动的相变冷却工质需要承受相应频率的电压负荷，电压频率的变化同样会对工质的击穿特性产生影响，显然仅研究工频下相变冷却工质的击穿特性不足以指导实际工程应用。分析并掌握冷却工质不同相态、不同频率下的绝缘击穿特性是对换流阀相变冷却系统进行绝缘设计、保证系统可靠运行的前提，对相变冷却技术在电力电子装备领域的成功应用至关重要。

本文以某环保型室温相变冷却工质为研究对象，依据柔直换流阀运行频率区间，开展相变冷却工质击穿特性研究。由于相变冷却工质的强挥发性及变频测试需求，本文首先设计并搭建三相态相变冷却工质可调频绝缘特性测试专用平台，进而得到相变冷却工质三相态、50～300 Hz频率范围内的绝缘击穿特性变化规律，在此基础上分析相变冷却工质不同相态的击穿机理，以及工质相态和电压频率变化对冷却工质击穿特性的影响机制。

1 实验平台及实验方案

1.1 实验平台

三相态相变冷却工质可调频绝缘特性测试平台如图1所示，平台由可调频耐压测试源、冷却工质三相态耐压测试腔体及监测系统三部分构成。

图1 三相态相变冷却工质可调频绝缘特性测试平台

耐压测试源与三相态耐压测试腔体相连接，对相变冷却工质施加测试电压。耐压测试源可实现输出电压频率、幅值、上升速率、过电流保护值的调节，输出电压频率为50～300 Hz；输出电压有效值为0～80 kV；升压速率为50 V/s～2 kV/s；过电流保护值为1～20 mA。限流电阻用于对系统击穿瞬间的击穿电流进行限幅，保护测试设备，同时防止击穿电流过大引起冷却工质分解。

三相态耐压测试腔体密封性良好，前后设置观察窗为冷却工质击穿测试提供密封、可视化条件，且腔体结构满足高频绝缘要求，如图2所示。

图2 冷却工质三相态耐压测试腔体

耐压测试腔体内设有加热系统，含2块铝加热块及1块陶瓷加热块。铝加热块位于腔体内两侧边缘，用于调节冷却工质主流温度；陶瓷加热块位于电极正下方，用于控制电极区域冷却工质热流密度，使冷却工质处于不同沸腾状态，热流密度可由陶瓷加热块功率除以陶瓷加热块表面积得到。搅拌装置浸没于电极正前方冷却工质中，用于两次击穿之间的介质搅拌，使其绝缘恢复。测试腔上方安装调压阀，通过调节调压阀开关状态及冷凝器冷却水流量控制腔体压力。

监测系统包括压力温度采集装置、摄像头、示波器等，实现测试腔体内部压力、工质温度、工质沸腾状态、输出电压波形质量及电压值监测。冷却工质内以点阵方式空间均匀排布5个热电偶测温点，实现冷却工质温度实时监测。

实验用圆盘形平行板电极按照电力行业标准DL 429.9—1991《绝缘油介电强度测定法》制造，如图3所示。当耐压测试源输出电压频率增加时，由于系统分布电容效应逐渐凸显，导致输出电压最大值降低。为保证高频测试时电极间冷却工质可靠击穿，实验设置电极间距为1.5 mm。由于电极间电场为均匀电场，且本文所有测试均是在相同电极间距下完成，故所得相态、频率变化对冷却工质击穿特性影响相关结论具有普适性。

图3 实验用圆盘形平行板电极

1.2 实验方案

使用三相态相变冷却工质可调频绝缘特性测试平台，以柔直换流阀用环保型室温相变冷却工质为研究对象，开展液相不同温度、气液两相不同热流密度及纯气相工质状态下，50～300 Hz频率范围内的冷却工质绝缘击穿特性测试研究。所选用冷却工质在一个标准大气压下的沸点温度为47.6℃，实验设定各工质状态见表1。

液相及气液两相工质击穿测试时，介质液面应没过高压套管下方金属电极，测试过程保持液面高度不变，腔体压力维持一个标准大气压。气相工质击穿测试时，通过排除腔体内空气、调节水量、控制液面高度，确保电极间为工质全蒸汽状态且腔体内压力保持一个标准大气压。

表1 相变冷却工质实验状态

Tab.1 Experimental states of phase change coolant

为得到击穿电压分布规律，每种工况下至少进行42次击穿测试，每两次击穿之间对冷却工质进行搅拌，使冷却工质绝缘恢复。

2 实验结果

2.1 击穿特性随工质相态的变化

基于工频实验数据，将表1中各相态工质的击穿电压取平均值，并与击穿电压实测值同绘于图中，可得冷却工质工频击穿电压随相态的变化如图4所示。

图4 冷却工质工频击穿电压随相态的变化

由图4可知工质不同相态的绝缘击穿特性如下：

1）液相击穿：随着工质温度的上升，液相工质击穿电压平均值略有下降，击穿电压最大值有较明显的降低，击穿电压数据分散程度逐渐减小。

2）两相态击穿：随着热流密度的增加，气液两相工质击穿电压平均值由液相击穿电压逐渐向气相击穿电压过渡，并趋于稳定。击穿电压数据分散度与热流密度呈强相关，=0.83 W/cm2时击穿电压数据分散度与液相工质击穿相当；=3.33～5.20 W/cm2时击穿电压数据分散度显著增大；随着热流密度继续增加，当≥6.52 W/cm2时数据分散度又逐渐减小。

3）气相击穿：气相工质击穿电压平均值略低于气液两相态工质平均击穿电压。相对于液相击穿及气液两相击穿，气相击穿电压数据分散度大大降低。

随着电压频率的增加，冷却工质击穿特性随相态的变化规律与工频实验数据一致，如图5所示。为简洁，图中仅显示各频率下工质击穿电压平均值。

图5 不同频率冷却工质击穿电压随相态的变化

考虑击穿电压的分散性，为保证系统可靠度，工程中常取冷却工质一定击穿概率的电压值为许用值，因此需对不同工作相态下冷却工质击穿电压的概率分布特性进行统计分析。

目前，用于绝缘材料击穿实验的数据统计方法主要有Weibull分布、Gumbel分布和对数正态分布等[25]。已有研究表明[18,23]，双参数Weibull分布可有效表征绝缘材料绝缘失效率随电压值的变化关系。双参数Weibull分布概率密度函数及累积概率分布函数分别为

对式（2）两边取两次对数，可得

现对冷却工质不同工作相态下的工频击穿电压实验数据进行统计分析。

2.1.1 液相工质击穿特性统计分析

液相工质击穿前及击穿瞬间如图6所示。

图6 液相工质击穿

以36℃冷却工质液相工频击穿电压样本为例，以为横坐标，以为纵坐标，绘制击穿电压Weibull分布线性度检验图如图7所示。由图7可知，击穿电压样本数据线性度良好。以同样的方法对其他温度下液相工质击穿电压进行检验，均具有良好的线性度，故认为液相工质工频击穿电压服从双参数Weibull分布。

图7 液相工质击穿电压Weibull分布线性度检验图

不同温度下液相工质工频击穿电压统计分析结果如图8、图9所示。拟合所得Weibull概率密度分布及累积概率分布与样本数据一致性良好。为简洁，图9中仅显示24℃时工质击穿电压样本数据。液相工质击穿电压分布范围为26.6～54.4 kV。由图9可知，当击穿电压大于43 kV时，相同电压下击穿概率随工质温度上升而增加；反之，当击穿电压较低时，击穿概率随工质温度上升而下降。

图8 各温度液相工质工频击穿电压概率密度分布

图9 各温度液相工质工频击穿电压累积概率分布

表2 液相工质工频击穿电压分布参数拟合

Tab.2 Breakdown voltage distribution parameters of liquid coolant

2.1.2 气相工质击穿特性统计分析

气相工质击穿前及击穿瞬间如图10所示。

图10 气相工质击穿实验

绘制气相工质击穿电压Weibull分布线性度检验图如图11所示。击穿电压样本数据线性度良好，服从双参数Weibull分布。

图11 气相工质击穿电压Weibull分布线性度检验图

气相工质工频击穿电压统计分析如图12所示，拟合所得Weibull累积概率分布及概率密度分布与样本数据一致性良好。气相工质击穿电压分布范围为20.6～22.4 kV。

图12 气相工质工频击穿电压概率统计

表3 气相工质工频击穿电压分布参数拟合

Tab.3 Breakdown voltage distribution parameters of gas coolant

2.1.3 气液两相工质击穿特性统计分析

气液两相工质不同热流密度下工质沸腾状态及击穿瞬间如图13所示。

图13 气液两相工质击穿实验

以=0.83 W/cm2和=3.33 W/cm2时冷却工质两相态工频击穿电压样本为例，绘制击穿电压Weibull分布线性度检验图，如图14所示。当=0.83 W/cm2时，击穿电压样本数据线性度良好，服从双参数Weibull分布；≥3.33 W/cm2时，击穿电压不再服从双参数Weibull分布，这是由于两相态工质状态的不稳定性及击穿机理的复杂性导致的。

图14 两相工质击穿电压Weibull分布线性度检验图

不同热流密度下两相态工质工频击穿电压样本概率密度分布如图15所示。

两相态工质击穿电压随着热流密度的增加，整体呈现下降趋势，击穿电压分布特性与工质沸腾状态强相关，并呈现如下规律：

1）=0.83 W/cm2时，热流密度较小，电极周边介质呈孤立泡状流，工质击穿电压服从双参数Weibull分布，此时气泡对介质击穿电压影响不大。

图15 两相工质工频击穿电压样本概率密度分布

2）=3.33～5.02 W/cm2时，随着热流密度增加，电极周边介质沸腾加剧，气泡体积增大并相互碰撞，碰撞后破碎或汇聚成块。工质可能出现多种击穿过程：液相击穿、一个或多个气泡串联液相击穿、气相击穿，工质状态不稳定，击穿机理复杂。击穿电压均值大幅降低，数据分散度明显增加，击穿电压不再服从Weibull分布。从图15可知，击穿电压分布呈现“双峰”特性，峰值1在22 kV左右，峰值2在45 kV左右。随着热流密度增加，击穿电压逐渐由峰值2向峰值1移动，表明气泡在介质击穿过程中的影响越来越显著。

3）≥6.52 W/cm2时，电极周边介质中含气量继续增大，两电极间的气相工质将液相工质排挤到电极表面，在电极中间形成较稳定的气相通路，施加电压后大气泡在电场作用下拉长，贯通电极间隙击穿。此时击穿电压较集中，随热流密度增加击穿电压均值略有降低，基本趋于稳定，并接近气相击穿电压。

2.2 击穿特性随电压频率的变化

依据表1开展冷却工质三相态、50～300 Hz频率范围的击穿特性试验研究。工质击穿电压平均值随电压频率的变化如图16所示。由图16可知：

1）液相和气相工质击穿电压平均值随所施加电压频率的上升而下降。

2）气液两相工质条件下，当热流密度较小（=0.83 W/cm2）及较大（=8.52 W/cm2）时，工质击穿特性分别类似于液相工质和气相工质击穿特性，击穿电压平均值随所施加电压频率的上升而下降。当=3.33～6.52 W/cm2时，工质击穿电压处于由液相击穿电压向气相击穿电压的过渡状态，击穿电压平均值随着所施加电压频率的上升呈现先上升后下降的特点。

图16 冷却工质击穿电压均值随频率的变化

选取冷却工质三种典型相态：液相24℃、气液两相=5.20 W/cm2及气相，50～300 Hz频率范围的击穿电压数据进行统计分析。

2.2.1 液相工质不同频率击穿特性统计分析

24℃液相工质不同频率下击穿电压均服从双参数Weibull分布，各频率击穿电压概率密度分布及累积概率分布如图17、图18所示。各频率击穿电压Weibull分布尺度参数、形状参数见表4。

图17 液相工质不同频率击穿电压概率密度分布

当=50～100 Hz时，击穿电压随频率上升变化不明显；当=150～300 Hz时，击穿电压概率密度分布及累积概率分布随频率上升沿横坐标向左侧移动，下降，液相工质击穿电压随频率上升而降低，呈增加趋势，击穿电压分散度随频率上升而下降，尤其当=300 Hz时，击穿电压分散度大大降低。

图18 液相工质不同频率击穿电压累积概率分布

表4 24℃液相工质不同频率击穿电压分布参数拟合

Tab.4 Breakdown voltage distribution parameters of liquid coolant at 24℃

2.2.2 气相工质不同频率击穿特性统计分析

气相工质不同频率下击穿电压同样服从双参数Weibull分布，各频率下击穿电压概率密度分布及累积概率分布如图19、图20所示。各频率击穿电压Weibull分布尺度参数、形状参数见表5。

图19 气相工质不同频率击穿电压概率密度分布

图20 气相工质不同频率击穿电压累积概率分布

表5 气相工质不同频率击穿电压分布参数拟合

Tab.5 Breakdown voltage distribution parameters of gas coolant

当=50～300 Hz时，击穿电压概率密度分布及累积概率分布随频率上升沿横坐标向左侧移动，下降，气相工质击穿电压随频率上升而下降；呈增加趋势，击穿电压分散度随频率上升而下降。与液相击穿相比，气相击穿电压受频率影响更加明显，击穿电压值及其分散度均大幅降低。

2.2.3 气液两相工质不同频率击穿特性统计分析

气液两相工质击穿电压不再服从Weibull分布。当=5.20 W/cm2时，气液两相工质不同频率下击穿电压样本概率密度分布如图21所示。随着频率上升，气液两相工质击穿电压最高值逐渐下降；击穿电压低值在50～150 Hz频率区间逐渐上升，后在200～300 Hz频率区间明显降低。击穿电压分散度整体较大，与频率变化无显著关联。

图21 两相工质不同频率击穿电压样本概率密度分布

3 讨论与分析

3.1 气相工质击穿机理分析

电场作用下，气体间隙中带电粒子的产生与消失决定了气相工质放电现象的强弱与发展。本文中，短间隙均匀电场中气相工质击穿过程可用汤逊理论解释。由于受紫外线、宇宙射线等作用，气相工质中总存在一些自由电子或离子。随着电压的升高，气体间隙中的电场强度增加，自由电子在电场作用下从阴极向阳极作定向运动，在此过程中电子被加速而获得动能，当其动能积累到一定数值后，与中性气相工质分子发生碰撞引起中性气相工质分子电离。电离产生出的新生电子又与初始电子一起继续参与中性气相工质分子的碰撞电离，从而使气体间隙中的电子数目急剧增加，引发电子崩，导致间隙中气相工质击穿。此时气体间隙中电流突增，在大气压下表现为火花放电，如图10所示。

带电粒子在电场作用下加速获得的动能与质点电荷量、电场强度及碰撞前的行程有关，即

式中，为粒子质量；为粒子运动速度。

带电粒子与中性气相工质分子发生碰撞时，如气相工质分子获得的能量大于等于其电离能i，则会引起气相工质分子电离。故发生碰撞电离的条件为

由式（6）可知，为产生碰撞电离，带电粒子在碰撞前必须具备一定距离的自由程。增大带电粒子自由程或提高电场强度，可提高碰撞电离及工质击穿发生的概率。

3.2 液相工质击穿机理分析

纯净液相工质击穿机理与气相工质击穿机理类似。由于液相工质密度远大于气相工质，电子的平均自由程很小，不易积累到足以产生碰撞电离所需的动能，所以液相工质的击穿场强远大于气相工质击穿场强。然而实验测试及工程应用中，液相工质难免混入微小气泡或杂质，由于均匀电场下气泡和悬浮杂质对击穿过程的影响，液相工质击穿电压分散程度较大。相对而言，气相工质击穿过程基本不受气泡和杂质影响，故击穿电压的分散性较小。

随着工质温度的升高，一方面液体体积膨胀密度减小，电子平均自由程增加；另一方面液体分子势能增加，在电子的碰撞下较易发生电离，故温度上升有利于碰撞电离的产生及发展，因此液相工质击穿电压最大值随温度上升有较明显的降低，击穿电压数据分散度随之逐渐减小。图9显示，当击穿电压较低时，击穿概率随工质温度上升呈现降低趋势。这主要是由于低击穿电压区域液相工质击穿过程受气泡和杂质影响较大，液体温度较高时，测试腔内部加热块局部区域工质沸腾剧烈，腔体内工质流动加强，液流扰动不利于形成贯穿两电极的“小桥”击穿通道，故击穿概率下降。

3.3 两相态工质击穿机理分析

当冷却工质处于气液两相状态时，平行板电极间形成气液复合绝缘结构，两相态工质击穿是气相工质击穿和液相工质击穿的级联过程。

将气泡界面简化为液相工质和气相工质的分界面，在此分界面两侧电场分布满足

式中，l和g分别为液相工质和气相工质相对介电常数；l和g分别为液相工质和气相工质中电场强度分量；为分界面上的自由电荷面密度。当不考虑分界面上电荷分布时，有

可知气泡中的电场强度与液相工质中的电场强度与各自的介电常数成反比分布。对于相变冷却工质，气相工质相对介电常数可视为1，液相工质相对介电常数通常大于1，所以气泡内电场强度较大，同时气相工质击穿场强又远小于液相工质击穿场强，因此当放电通路上存在一个或多个气泡时，电离首先发生于气泡内部。当气泡发生局部击穿后，极板间的全部电压施加在间隙间剩余的液相工质上，放电通道上液体绝缘距离降低，当液相工质中的场强超过其击穿场强时，剩余液相工质被击穿，至此整个电极间隙完全击穿[19]。气泡的产生将降低冷却工质绝缘强度，由实验数据可知，气液两相工质击穿电压平均值介于液相工质击穿电压平均值和气相工质击穿电压平均值之间。

当=0.83 W/cm2时，热流密度较小，此时电场作用下气泡运动轨迹如图22所示。由图22可知，在电场作用下，原本竖直向上通过电极间隙的气泡运动轨迹发生偏移，沿电极外侧向两边散开偏离强电场区域，气泡内电场强度无法达到电离条件，电极间仍为液相击穿，故气泡对工质击穿电压影响不大。随着热流密度增加，气泡数量增多，体积增大，在电场力作用下气泡依然可以通过电极间区域，故两相态工质击穿电压均值受气泡影响下降。由于击穿通道的随机性，极间击穿可能出现液相工质击穿、气相液相工质级联击穿、气相击穿多种情况，故击穿电压不再服从Weibull分布，且击穿电压分散性显著增大。当热流密度较大时，电极区域被气泡包裹，电极间形成较稳定的气相通路，击穿过程接近气相击穿，击穿电压分散度较小。

图22 q=0.83 W/cm2时电场作用下气泡运动轨迹

3.4 电压频率对冷却工质击穿特性影响分析

在具有稳定频率为的正弦交变电场作用下，单位体积电介质中的功率损耗为

式中，为交变电场角频率；0为真空介电常数；r为电介质相对介电常数；tan为介质损耗因数。

对于平行板电极间均匀电场区域的电介质，其总损耗功率为

式中，为介质体积；为电极所加电压；为两电极及极间介质所构成电容器的容值。

本文所用冷却工质为非极性电介质，经实验测试在50～300 Hz频率范围内，冷却工质介电常数及介质损耗因数随频率的变化可忽略不计，介电常数与温度呈负相关，介质损耗因数与温度呈正相关。

由式（10）可知，对于液相工质及气相工质击穿，随着电压频率的上升，电极间介质损耗增大，介质温度上升，此时介质损耗因数也同步上升，介电常数虽稍有下降但无法影响介质损耗及温升的增长趋势，故电极间介质发热体积膨胀，密度减小。由上文分析可知，密度减小使得带电粒子平均自由程增加，有助于碰撞电离的发生，故冷却工质击穿电压下降。由于气相工质体积膨胀系数大于液相工质，因此气相工质击穿电压受频率的影响比液相工质更加明显。

对于=3.33～6.52 W/cm2时的两相态工质击穿，在50～150 Hz频率区间击穿电压随频率增加略有上升趋势，这是因为两相态工质的流动对电极区域工质造成了扰动，一方面不利于电极间工质热量的累积；另一方面电场力下两相流动降低了带电粒子滞留量，进而降低了工质击穿概率。随着电压频率进一步上升，工质损耗增加影响逐渐凸显，冷却工质击穿电压随频率上升而下降。

4 结论

本文依托自主研制的三相态相变冷却工质可调频绝缘特性测试平台，开展了柔直换流阀用相变冷却工质三相态、50～300 Hz频率范围的绝缘击穿特性研究，所得主要结论如下：

1）不同频率下冷却工质击穿特性随相态变化规律一致：液相工质击穿电压平均值随工质温度上升略有下降，基本维持稳定；气液两相工质击穿电压平均值随热流密度增加逐渐下降，并最终接近气相击穿电压；气相工质击穿电压值及数据分散度最小。液相和气相工质击穿电压服从双参数Weibull分布，气液两相工质击穿电压不服从双参数Weibull分布。

2）随着电压频率上升，液相和气相工质击穿电压平均值及击穿电压分散度下降，其中气相击穿电压受频率影响更加明显。不同热流密度下气液两相工质击穿电压表现出不同的频率相关性：当热流密度较小及较大时，两相工质击穿电压均值随电压频率上升而下降；当热流密度处于中间过渡区间时，两相工质击穿电压均值随频率上升先增大后减小。

3）冷却工质击穿起始于其内部带电粒子与中性分子发生碰撞电离。带电粒子、碰撞前自由程、一定的电场强度是碰撞电离产生的必要条件。提高带电粒子量、增大带电粒子自由程、增加电场强度，均可提高工质击穿概率；反之，工质击穿概率降低。冷却工质温度上升、气化、高频热效应均会使工质体积膨胀、密度减小，增大带电粒子平均自由程，有利于碰撞电离的产生及发展，引起击穿电压降低。

4）本文所研究相变冷却工质气相介电强度最小值为10.2 kV/mm（300 Hz）～13.7 kV/mm（50 Hz），其绝缘性能优于SF6气体，与变压器油相当。为保证相变冷却换流阀绝缘系统可靠性，应考虑换流阀实际运行频率，以气态相变冷却工质高频点介电强度为主要依据进行冷却工质选型及阀体绝缘设计。

综上所述，本文研究工作解决了换流阀典型运行频率区间相变冷却工质三相态耐压测试问题，研究方法可用于换流阀冷却工质选型，所得结论可指导相变冷却换流阀绝缘系统设计。研究成果对于相变冷却技术在其他电力电子器件、装备领域的应用具有指导意义。

[1] 马为民, 吴方劼, 杨一鸣, 等. 柔性直流输电技术的现状及应用前景分析[J]. 高电压技术, 2014, 40(8): 2429-2439.

Ma Weimin, Wu Fangjie, Yang Yiming, et al. Flexible HVDC transmission technology’s today and tomorrow[J]. High Voltage Engineering, 2014, 40(8): 2429-2439.

[2] 曾建兴. 柔性直流输电换流阀冷却系统研究[J]. 自动化应用, 2014(12): 89-91.

Zeng Jianxing. Study on cooling system of converter valve of HVDC-flexible[J]. Automation Application, 2014(12): 89-91.

[3] 魏云海, 陈民铀, 赖伟, 等. 基于IGBT结温波动平滑控制的主动热管理方法综述[J]. 电工技术学报, 2022, 37(6): 1415-1430.

Wei Yunhai, Chen Minyou, Lai Wei, et al. Review on active thermal control methods based on junction temperature swing smooth control of IGBTs[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(6): 1415-1430.

[4] 中国南方电网公司超高压输电公司. 高压直流输电换流阀冷却系统[M]. 北京: 中国电力出版社, 2017.

[5] 刘德庆, 何潇, 郭新良, 等. 换流阀水冷系统故障统计及原因分析[J]. 山东化工, 2019, 48(6): 139-141, 144.

Liu Deqing, He Xiao, Guo Xinliang, et al. Failure statistics and cause analysis of water-cooling system of converter valve[J]. Shandong Chemical Industry, 2019, 48(6): 139-141, 144.

[6] 顾国彪, 阮琳, 刘斐辉, 等. 蒸发冷却技术的发展、应用和展望[J]. 电工技术学报, 2015, 30(11): 1-6.

Gu Guobiao, Ruan Lin, Liu Feihui, et al. Developments, applications and prospects of evaporative cooling technology[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(11): 1-6.

[7] 顾国彪, 阮琳. 蒸发冷却技术在水轮发电机领域的应用和发展[J]. 中国电机工程学报, 2014, 34(29): 5112-5119.

Gu Guobiao, Ruan Lin. Applications and developments of the evaporative cooling technology in the field of hydrogenerators[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(29): 5112-5119.

[8] 国建鸿, 顾国彪, 傅德平, 等. 330MW蒸发冷却汽轮发电机冷却技术的特点及性能[J]. 电工技术学报, 2013, 28(3): 134-139.

Guo Jianhong, Gu Guobiao, Fu Deping, et al. Cooling characteristics and performance of the 330MW evaporative cooling turbo generator[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2013, 28(3): 134-139.

[9] 郭卉, 宋福川, 袁佳毅, 等. 蒸发冷却电磁除铁器的研究[J]. 中国电机工程学报, 2006, 26(11): 60-64.

Guo Hui, Song Fuchuan, Yuan Jiayi, et al. The research of the evaporative cooling electromagnetic iron-separator[J]. Proceedings of the CSEE, 2006, 26(11): 60-64.

[10] Xiong Bin, Ruan Lin, Gu Guobiao, et al. Application of evaporative cooling technology in super-high power density magnet[J]. Review of Scientific Instruments, 2014, 85(2): 02A913.

[11] 阮琳, 曹瑞, 闫静. 高性能计算机多支路并联表贴自循环蒸发冷却系统运行特性分析[J]. 工程热物理学报, 2021, 42(8): 2040-2047.

Ruan Lin, Cao Rui, Yan Jing. Analysis on the operation characteristics of multi-branch parallel surface mounted self-circulation evaporative cooling system for high performance computer[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2021, 42(8): 2040-2047.

[12] 温英科, 阮琳. 全浸式蒸发冷却开关电源热分析及实验[J]. 电工技术学报, 2018, 33(18): 4295-4304.

Wen Yingke, Ruan Lin. Thermal analysis and experimental study of fully-immersed evaporative cooling switching mode power supply[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(18): 4295-4304.

[13] 温英科, 阮琳. 全浸式液汽相变冷却方式贴片电阻失效机理[J]. 电工技术学报, 2019, 34(24): 5144-5150.

Wen Yingke, Ruan Lin. Failure mechanism of film resistors under fully-immersed liquid-vapor phase change cooling technology[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(24): 5144-5150.

[14] 曹瑞, 阮琳, 闫静, 等. 换流阀蒸发冷却系统关键部件的设计研究[J]. 工程热物理学报, 2019, 40(10): 2373-2376.

Cao Rui, Ruan Lin, Yan Jing, et al. Study on key components of evaporative cooling system of converter valve[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2019, 40(10): 2373-2376.

[15] 张玉斌, 温英科, 阮琳. 全浸式蒸发冷却IGBT电热耦合模型研究[J]. 电工技术学报, 2022, 37(15): 3845-3856.

Zhang Yubin, Wen Yingke, Ruan Lin. Research on electrothermal coupling model of fully-immersed evaporative cooling IGBT[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(15): 3845-3856.

[16] 史一涛, 曹瑞, 阮琳. 方形肋阵参数变化对流动沸腾换热影响的实验研究[J]. 电工技术学报, 2022, 37(5): 1275-1284.

Shi Yitao, Cao Rui, Ruan Lin. Experimental study on the influence of parameter change of square rib on flow boiling heat transfer[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(5): 1275-1284.

[17] 唐炬. 高电压工程基础[M]. 2版. 北京: 中国电力出版社, 2018.

[18] 牛文豪, 张国强, 王新, 等. 蒸发冷却介质两相流状态下工频击穿特性的实验研究[J]. 电工电能新技术, 2009, 28(1): 66-70, 80.

Niu Wenhao, Zhang Guoqiang, Wang Xin, et al. Experimental research of AC breakdown voltage of evaporative coolant under boiled two-phase-flow condition[J]. Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy, 2009, 28(1): 66-70, 80.

[19] 牛文豪, 张国强, 林涛, 等. 氟碳介质热致气液两相流的工频击穿特性及其在GIL中的应用展望[J]. 高电压技术, 2017, 43(3): 743-753.

Niu Wenhao, Zhang Guoqiang, Lin Tao, et al. AC breakdown initiated by thermally induced bubble of nonflammable fluorocarbon and its application prospect in GIL[J]. High Voltage Engineering, 2017, 43(3): 743-753.

[20] Niu Wenhao, Zhang Guoqiang, Lin Tao, et al. AC insulation property of fluorocarbon in thermal induced two-phase flow by self-heating electrode[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2018, 25(1): 61-72.

[21] Mo Shenyang, Li Xuebao, Zhao Zhibin, et al. Effect of bubble flow on partial discharge under non-uniform AC electric fields in FC-72[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2020, 27(4): 1059-1067.

[22] Mo Shenyang, Zhao Zhibin, Li Xuebao, et al. Partial discharge characteristics of bubble flow under AC non-uniform electric field in FC-72[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2020, 27(4): 1119-1127.

[23] 莫申扬, 张金强, 李学宝, 等. FC-72介质液态、气态及两相态工频击穿特性研究[J]. 高压电器, 2021, 57(5): 77-83, 92.

Mo Shenyang, Zhang Jinqiang, Li Xuebao, et al. Study on power frequency breakdown characteristic of FC-72 medium in liquid, gaseous and two-phase state[J]. High Voltage Apparatus, 2021, 57(5): 77-83, 92.

[24] 赵聪. 采用不同子模块拓扑的柔性高压直流输电换流器特性分析与控制策略研究[D]. 北京: 中国科学院大学, 2017.

Zhao Cong. Characteristics analyses and control strategy of modular multilevel converter adopting different submodule topologies for HVDC transmission systems[D]. Beijing: University of Chinese Academy of Sciences, 2017.

[25] 国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. 电气绝缘击穿数据统计分析导则: GB/T 29310—2012[S]. 北京: 中国标准出版社, 2013.

Breakdown Characteristics of Phase Change Coolant for Flexible HVDC Converter Valves

Wen Yingke1Ruan Lin1,2

（1. Institute of Electrical Engineering Chinese Academy of Sciences Beijing 100190 China 2. University of Chinese Academy of Sciences Beijing 100049 China）

High voltage and large capacity is the development trend of flexible HVDC transmission technology. The reliability problem caused by overheating of IGBT converter valve limits the improvement of system capacity. The cooling capacity of the water cooling system is limited, and there are also hidden dangers such as blockage and leakage. It is of great significance to develop a safe and efficient new cooling technology for the converter valve. Phase change cooling technology has high cooling efficiency and reliability. It is expected to overcome the heat dissipation bottleneck of flexible HVDC converter valve and has a good application prospect in the field of converter valve cooling.

In order to design the insulation system of the phase change cooling converter valve, it is necessary to study the insulation breakdown characteristics of phase change coolant. The existing researches on the breakdown characteristics of phase change coolant are almost carried out at power frequency, but the operation frequencies of converter valves are usually higher than power frequency, so the existing researches are not enough to guide the practical engineering application. In order to solve this problem, this paper firstly developed a frequency-adjustable insulation characteristics test platform for phase change coolant. The platform could realize the adjustment of the output voltage frequency, at the same time, the test chamber has sealing and visualization characteristics, which can meet the triphase state test requirements of phase change coolant. Considering the typical operating conditions of the converter valve, the insulation breakdown characteristics of the phase change coolant at different phase states, within 50～300 Hz were tested by using the platform. The change rules of the breakdown characteristics of phase change coolant with different phase states and voltage frequencies were obtained, the breakdown mechanism of phase change coolant at different phase states was analyzed, and the influence mechanism of phase state and frequency on the breakdown characteristics of phase change coolant was revealed.

The following conclusions can be drawn from the study: (1) Under different frequencies, the change rule of the breakdown characteristics of the coolant with phase state is consistent: The average breakdown voltage of the liquid coolant is basically stable. The average breakdown voltage of gas-liquid coolant gradually decreases with the increase of heat flux, and finally approaches the value of gas coolant. The average value and data dispersion of gas phase breakdown voltage are the minimum. The breakdown voltage of liquid coolant and gas coolant obeys the Weibull distribution, while the breakdown voltage of gas-liquid coolant doesn’t. (2) With the increase of frequency, the average value and dispersion of breakdown voltages of liquid coolant and gas coolant decrease, and the gas phase breakdown voltage is more affected by frequency. The breakdown voltage of gas-liquid coolant shows different frequency dependence under different heat flux. When the heat flux is small or large, the average breakdown voltage of gas-liquid coolant decreases with the increase of frequency, however when the heat flux is during the middle transition zone, the average breakdown voltage of gas-liquid coolant increases first and then decreases with the increase of frequency. (3) The breakdown of coolant is caused by the collision ionization between charged particles and neutral molecules. The breakdown probability can be improved by increasing the number of charged particles, the free path of charged particles and the electric field strength. (4) The gas phase insulation performance of the phase change coolant studied in this paper is superior to SF6and equivalent to transformer oil. In order to ensure the reliability of the phase change cooling converter valve, the main basis for the selection of coolant and the insulation design shall be the dielectric strength of gas coolant at the high operation frequency point of the converter valve.

The research not only solves the problem of triphase state insulation test method of phase change coolant at high frequency, but also lays a foundation for the insulation design of phase change cooling flexible HVDC converter valve.

Converter valve, flexible HVDC transmission, phase change cooling, breakdown characteristics, high frequency insulation

TM46; TM85

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.221967

国家自然科学基金资助项目（51777201）。

2022-10-14

2023-01-03

温英科 女，1988年生，助理研究员，研究方向为相变冷却技术在电力电子装备领域的基础及应用。E-mail：wenyingke@mail.iee.ac.cn

阮 琳 女，1976年生，研究员，博士生导师，研究方向为电气装备与电子信息设备相变冷却技术与装备研制。E-mail：rosaline@mail.iee.ac.cn（通信作者）

（编辑 李 冰）