抽水蓄能机组热管功率柜研究及应用

2019-07-23陈月营王德刚靳晓栋

水电与抽水蓄能 2019年3期

陈月营，王德刚，靳晓栋

（国网新源控股有限公司回龙分公司，河南省南阳市 473000）

0 引言

国内外励磁系统主要采用强迫风冷或者自然冷却的散热方式，散热器又可以分为型材散热器（铝或者铜）、水冷和热管散热器。

目前发电机励磁系统的励磁功率柜由三相全控可控硅整流桥组成，普遍采用“铝型材+风冷”散热方式，由于铝型材散热器热阻大，要想取得良好的冷却效果需要配置大功率风机，在实际运行过程中暴露出运行设备振动大、噪声大、容易积灰集油等问题，增大运维工作量；加之抽蓄机组启停频繁，风机运行做为励磁系统运行的前提条件，变向增加了风机的启停次数，影响了风机使用寿命，为维持风机的健康水平，需要购买风机备件，增加经营性成本；严重时曾发生滤网堵塞或可控硅损坏，从而影响机组启机成功率。

回龙公司在励磁系统改造过程中，联合国电南瑞科技股份有限公司进行了热管自冷励磁功率柜的开发及应用研究，改造后励磁功率柜取消风机，实现了良好的经济、社会效益[1-2]。

1 热管散热技术介绍

热管是一种靠流体在一端蒸发，在另一端冷凝来传送热量的自冷设备。冷凝液通过毛细作用传递热量。本项目热管介质为水，管壁为铜，设计微妙引入重力作用，发明了“毛细作用+重力”自冷热管[3]。

热管散热器利用热管的高导热性能，将热量传递到片型散热器上，起到增大散热面积的作用。热管散热器的典型结构由管壳、吸液芯和端盖组成，如图1所示。

图1 热管模型Figure 1 Heat pipe mode

热管传递热量共分四个过程：

（1）热源由热管管壁和吸液芯传递至液—汽分界面；

（2）液体在蒸发段内蒸发，带走热量并流到冷凝段冷凝；

（3）热量在冷凝段传递给冷源；

（4）冷凝后的液体通过毛细作用回流到蒸发段。

热管作为一种新型散热材料，由于其高效的散热性能，利用其制作的热管散热器应用在励磁功率柜上可替代传统的铝型材散热器和风冷散热模式，采用热管自冷散热方式，从而解决了风冷散热存在的问题。在机组正常运行中励磁功率柜不需要开启风机，同时可以大幅减轻对励磁功率柜的维护工作，也可以增强励磁功率柜运行的可靠性。

2 热管功率柜在抽水蓄能机组的仿真研究

2.1 热管功率柜可控硅及散热器配置

以采用ABB公司的5STP24H2800可控硅作为励磁功率柜的功率元件，实现整流桥输出1600A为例，根据可控硅参数手册要求，可控硅运行结温不大于125℃。如图2所示散热器热阻系数RIT≤（TJ-TA）/PTEN-RthJC-RthCH（TJ为可控硅结温，TA为环境温度，PTEN为可控硅通态损坏，RthJC为可控硅结到壳热阻系数，RthCH为可控硅壳到散热器热阻系数）[4]。

图2 可控硅热扩散示意图Figure 2 Schematic diagram of SCR thermal diffusion

由此可知，散热器的散热效率很大程度上影响了可控硅整流装置额定电流的输出，可控硅散热器的热阻决定可控硅的输出电流能力，同时与流过散热器表面的风速密切相关。

2.2 单个可控硅热管散热仿真

为了模拟散热器的散热效果，将可控硅—散热器组件放入一个带有空气的腔体中。图3是RDN-1430可控硅—热管散热器组件的几何模型。

在图3中，可控硅采用双面散热，可控硅发出的热量先传至与之连接的两个散热器，再由散热器翅片向空气散热将热量带至腔体外。为分析散热器结构尺寸的合理性，对功率柜输出电流为1600A时，单个可控硅到散热器的热传递过程用计算流体力学（CFD）软件进行了仿真[5-6]。

图3 RDN-1430可控硅-散热器组件几何模型Figure 3 RDN-1430 thyristor - geometric model of radiator assembly

在冷却介质为空气的情况下，散热器的温度分布仿真结果如图4所示，可控硅结温曲线如图5所示。

图4 散热器表面温度分布图Figure 4 Surface temperature distribution of radiator

图5 可控硅结温曲线Figure 5 Temperature curve of thyristor junction

从图4、图5中可以看出，与可控硅台面相连之处及其背面的温度最高，以此为中心温度向四周呈递减状。由图5可以看出，在功率柜输出为1600A时，在1300s左右即达到热稳定，可控硅结温80.67℃，结温升为53.67℃。

2.3 整柜散热过程仿真

在冷却介质为空气的情况下，散热器的温度分布仿真结果如图6所示，可控硅结温曲线如图7所示。

图6 RDN-1430散热器组件温度分布图Figure 6 RDN-1430 temperature profile of radiator assembly

图7 可控硅结温曲线Figure 7 Temperature curve of thyristor junction

由图7可以看出，RDN-1430散热器组件的结温在1200s左右逐渐趋稳在72.66～78.16℃，结温温升为45.66～51.16℃。

2.4 回龙抽蓄机组热管功率柜配置情况

回龙电站总装两台60MW的抽蓄机组，机组额定励磁电流1140A，励磁功率柜单柜出力1600A。

正常运行2面功率柜额定输出电流=2×1600=3200A；

1.1倍额定励磁电流长期运行电流=1.1×1140=1254A；

2倍强励励磁电流=2×1140=2480A；

根据计算按N-1设计原则配置2面热管功率柜，满足2倍强励及1.1倍额定励磁电流长期运行需求。根据仿真结果，并进行样柜测试，试验数据同样支持机组2倍强励及1.1额定励磁电流长期运行需求。

3 热管功率柜在回龙机组的应用分析

回龙电站每套励磁系统配2面热管自冷功率柜，N-1冗余方式运行，机组满负荷励磁电流在1050A左右，设计单柜出力可达1600A，单柜运行可满足机组满负荷运行需要。励磁系统自2018年3月投运至今，经受住了连续高强度运行考验，均流系数可达0.97，热管自冷功率柜取得良好的冷却效果，双柜运行最大温升15K，单柜运行最大温升22K。取得了良好的经济和社会效益。