电解整流器水冷系统的设计

许敬涛，梁永万

（广州电器科学研究院，广东广州510300）

电解整流器水冷系统的设计

许敬涛，梁永万

（广州电器科学研究院，广东广州510300）

介绍了大功率电解整流器功率损耗和冷却水流量的计算方法以及冷却水支路的配置方法等，为整流器水冷系统设计提供了依据。

电解整流器；功耗；水冷系统

在大功率电解整流器的设计中，散热是核心问题之一。散热设计包括功率器件选型、散热方式的确定、散热器件的选型计算等，其目的是限制整流器内部所有元器件尤其是功率器件的温升，使之在运行的工作环境下不超过最高允许温度。

1 整流器冷却方式

整流器采用的冷却系统应该便于维护，并能适用于特定的环境条件，同时满足可靠性要求。空气、油和水作为常用的3种对流介质，对流冷却能力的比率约为1∶10∶100。由于大功率电解整流器的电流较大，与之相应的快熔损耗和母排损耗也较大，采用风冷方式已不能满足设备散热的要求；介质为油的冷却方式可免除对冷却母线的腐蚀，并且油的绝缘性能好、凝固点较低，因而适用于高电压和低温环境，但油的缺点是热对流系数小，维护较困难；水冷系统具有成本低、易于维护、环保、冷却能力强等优点，因而在大功率整流设备中得到了广泛应用[2]。

2 整流器功耗计算

整流器功率损耗包括可控硅损耗、快熔损耗、母排损耗、吸收电路损耗等。

2.1 可控硅损耗计算

式中：PT为通态（正向）功率损耗，W（此值可通过计算出元件流过的通态平均电流后，查相应的曲线可得，或者通过公式PT=VTOITav+I2TrmsrT来计算，VTO为通态门槛电压，V；ITav为通态平均电流，A；ITrms为通态有效值电流，A；rT为通态斜率电阻，Ω）；f为频率，HZ；Won为开通损耗（计算出元件的后，查相应的曲线可得），W；Woff为关断损耗（计算出元件的后，查相应的曲线可得），W。

2.2 快速熔断器损耗计算

式中：ITrms—电流有效值，A；

rR—快速熔断器熔体冷态电阻，一般为20℃时电阻，Ω；

t0—熔体冷态电阻时的温度，℃；

t—熔体运行时的温度，℃；

a—银的电阻温度修正系数，按0.003 5/℃。

快速熔断器功率损耗也可通过计算算出流过熔体电流的有效值与额定电流的比值，查相应的曲线得功率损耗系数，再与快速熔断器额定电流下的损耗相乘，得出在此运行电流下的功率损耗。

2.3 母线功率损耗计算[2]

并联元件段和快速熔断器段母线电流常为阶梯分布，该段母线功率损耗近似计算如下：

式中：IM—并联元件总电流的有效值，A；

RM—折算至平均温度时的并联元件段母线总电阻，Ω；

n—并联元件数，个。

剩余母线段和其他母线的功率损耗PMN按式（3）计算，n取1。

2.4 换相过电压保护RC中的电阻损耗

式中：f—频率，Hz；

C—换相RC回路的电容容值，μF；

URm—元件反向工作峰值电压，V；

α—相控角，°；

u—换相角，°。

换相角u可从以下关系式求出：

式中：eX%—整流变压器额定短路电压ed%的感抗分量，一般可取eX%=ed%。

2.5 交流侧三相阻容吸收的电阻损耗

在较大直流负载条件下，整流变压器阀侧电压的畸变是不可忽略的，对于三相阻容吸收的电阻损耗可近似按下式计算：

式中：Kh——谐波电流作用系数，推荐数值见表1；

U2—整流变压器阀侧相电压，V；

XCS—阻容吸收每相基波容抗，为电容值，μF，当电容器为Δ形接线，需折换成星形接线；

RS—阻容吸收每相电阻值，Ω。

表1 谐波电流作用系数Kh推荐值

3 冷却水路设计

整流器功率损耗产生的热量通过传导、对流、辐射的形式传递，其中，大部分的热量将以冷却水对流的形式带走。根据热平衡原则，由冷却水带走的热量：

3.1 计算整流柜冷却水流量

整流器冷却水流量可按下式计算：

式中：Δt—整流柜冷却水出口水温与入口水温之差，℃，不宜大于5～10℃，或按用户要求确定。

3.2 各支路水流量配置

硅母排、硅水包、快熔母排、汇流母排等各部分所需的水流量也可按式（8）来计算。单根硅母排所需的水流量计算如下：

式中：Ptotal—单个可控硅的总损耗，kW；

PM—母排并联元件段的功率损耗，kW；

PMN—除去并联元件段，元件母排其余段的功率损耗，kW。

各部分所需的水流量计算完成后，将进行各支路的水流量的分配组合配置。在整流器水冷系统设计中，确定总支管路数和各支路的流量十分关键。

一般地，整流器设有冷却水进水管和出水管，各冷却水支路分别与此2管相连接。整流器冷却水管路可看成是并联管路系统，根据并联管路计算原则，总流量等于各支管中流量之和；并联各支管上的阻力损失相等。总的阻抗平方根倒数等于各支管阻抗平方根倒数之和，如下述表达式[3]：

式中：Q—并联管路总流量，m3/h；

S—并联管路总阻抗，h2/m5；

Q1…QN—支管1至支管N的流量，m3/h；

S1…SN—支管1至支管N的阻抗，h2/m5。

配置冷却水支路时，可遵循以下原则：分配各支路的水流量尽量一致；对所需水流量较大的部分可分配2个或多个水支路；对所需水流量较小的部分，可根据电位相同或接近的情况，将其水路串联进其他水支路，或多个所需水流量较小的部分水路串联成一水支路，经串联的水支路的流量为各串联部分流量之和；根据公式（13）来确定各水支路的长度。一般地，整流柜中各水支路中都使用同一类型的软管连接，可近似看成各水支路的管径（即截面积）相同，并近似认为各支管的阻抗与其管路长度成正比。

4 可控硅结温检查及水流量验证

在稳态情况下，可控硅结温可按下式计算：

式中：TW—冷却水温度，℃；

Ptotal—单个可控硅的总损耗，W；

RthJC—可控硅结—壳热阻，℃/W；

ΔRthJC（120°）—在120℃下产生的附加热阻，℃/W；

RthCH—可控硅表面热阻，℃/W；

RthHW—母排或水包热阻，℃/W；

ΔT—母排或水包温度与冷却水温度之差，℃。

冷却水与母排的温差越大，则所用的冷却水量越小。可按设计要求确定ΔT值，然后按下面的计算得出硅母排的最小流量，与式（9）计算值进行对比验证。当计算得出的硅母排最小流量小于式（9）计算值时，说明ΔT小于设计要求值，水路设计符合要求。当硅母排最小流量大于式（9）计算值时，需增大冷却水的总流量，并重新设计修改冷却水支路，增大硅母排的冷却水流量，达到最小流量值。

计算硅母排的最小流量，首先，计算出需要的传热系数：

式中：A—母排传热内表面积，m2；A=πdl，d为母排内水通道内径，m，l为母排内冷却水通道长度，m。

再计算冷却水流速：

式中：Kst—与水有关的常数，见表2；

表2 与水有关的常数

Prf—按平均水温确定的水的勃兰德尔准则数，见表2[1]；

Prω—按管壁平均温度确定的水的勃兰德尔准则数，见表2[1]。

通过冷却水流速，可计算出硅母排的最小流量：

5 对水质的要求

由于自来水具有一定的导电性能，且对水冷母线有一定的腐蚀作用，一般采用蒸馏水或去离子水，要求其pH值为7~9，氯化物质量分数不大于20×10-6，固含量不大于25×10-6[1]。

在某个工程中，由于水质受污染造成不锈钢管路腐蚀。不锈钢管件受腐蚀通常是由于环境中存在的氯离子和硫酸根离子，尤其以氯离子最为常见。有研究表明，水中存在5×10-6以上的氯离子即会引起不锈钢的点蚀[4]。从现场水质监测表中可知，在使用一段时间后循环水中确实出现了氯离子，其被带入循环水系统中的原因是循环水管路没有密封或密封不完好，导致环境中的污染介质溶于循环水。循环水净化所选用的离子交换树脂为聚苯乙烯磺酸盐，它是一种阳离子交换树脂，无法去除循环冷却水中的Cl-、等阴离子，因此造成循环水管路的腐蚀。解决的措施是密封循环水管路系统并确保所购置的离子交换树脂为阴阳离子混合型离子交换树脂。需要进一步说明的是，工厂为降低成本，失效后的离子交换树脂一般会进行再生使用，再生过程中会引入Cl-、酸等腐蚀性介质。如再生后离子交换树脂未进行充分的清洗，将会将腐蚀介质带入循环水中，从而造成循环水管路的腐蚀。因此，应用纯水对再生后的离子交换树脂进行充分冲洗再投入使用。

塑料管老化也是水冷系统常见的现象，水温过高会加速塑料管老化，因此，一般要求冷却水进水口温度不超过35℃，冷却水温升不超过10℃。

6 结束语

本文仅从工程角度进行简化计算，水路本身的阻力损失、辐射散热和空气自然对流散热所引起的温升没有计算在内。由于水路计算比较复杂，设计误差在所难免，为保证整流设备可靠运行，应在计算的基础上增加10%~20%的裕量。

［1］沈阳铝镁设计研究院电力室编.硅整流所电力设计.北京：冶金工业出版社，1983.

［2］廖秀华主编.电化学整流实用技术手册（上册）.天津：中国氯碱工业协会，2009.

［3］陈敏恒，丛得滋，方图南，等.《化工原理》上册.第二版.北京：化学工业出版社，1999.

［4］朱日彰.金属腐蚀学.北京：冶金工业出版社，1989.

Design of water－cooling system for electrolytic rectifier

XU Jing－tao，LIANG Yong－wan
（Guangzhou Electric Apparatus Research Institute，Guangzhou 510300，China）

This paper discusses thecriterion in designing water－cooling system of electrolytic rectifier，it includes the principle of calculating powerdissipation and cooling－water flow of electrolytic rectifier，and the requirements for designing branches of cooling－water.

electrolytic rectifier，power dissipation，water－cooling system

TM461

B

1009－1785(2011)04-0009-03

2010-09-15