乌东德水电站机组励磁系统热管整流柜设计及试验

王波 余翔 胡先洪 张敬 陈小明

摘要：目前水电站机组励磁系统大功率整流柜普遍采用强迫风冷的散热方式，因此需要定期对功率框进行滤网更换和风道清灰;同时风机运行时也会产生比较高的噪声污染。为此，经过研究和试验，对乌东德水电站电厂励磁系统进行设计时，结合热管技术和智能均流功能，实现了大功率整流柜的自冷运行。

介绍了热管原理、热管整流柜额定输出能力的核算方法，以及所用热管整流柜在瑞士ABB公司实验室进行的大电流温升测试情况。

实践证明：这种热管整流柜在现场长期运行后的状态稳定，说明热管整流柜在最大水轮发电机组励磁系统中的运用获得了成功，这一创新技术可对今后大容量发电机组励磁系统的升级改造提供借鉴和参考。

关 键 词：

整流柜设计; 热管散热器; 温升测试; 励磁系统; 乌东德水电站

中图法分类号： TM31;TM341

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.05.019

近年来我国的水电建设事业得到了飞跃发展，金沙江水电基地的溪洛渡、向家坝水电站已经成功运行，乌东德、白鹤滩水电站即将全部投产[1]。乌东德水电站是金沙江下游河段4个水电梯级电站中的第一个梯级，也是目前世界上在建的第三大水电站。乌东德水电站左、右岸地下厂房内各安装6台850 MW的水轮发电机组，首台机组已于2020年6月并网发电，是目前世界上已投运的单机容量最大的水轮发电机组。乌东德水电站励磁系统整流柜采用了环形热管散热技术，实现了完全自冷运行。及时总结热管整流柜成功运行经验对今后大型水电机组励磁系统的升级改造具有很好的借鉴意义。

1 发电机主要参数

如图1所示，乌东德电站励磁装置由一面励磁调节器柜、四面大功率热管整流柜、一面灭磁与过电压保护柜以及一面碳化硅电阻柜组成。

2 大功率热管整流柜

2.1 热管散热技术分析

当今电力电子技术和生产制造工艺的发展日新月异，采用单只可控硅构成的大功率整流柜已经在励磁系统中得到了广泛应用。在可控硅冷却方式上，通常采用铝型材散热器进行强迫风冷散热，随着新技术的不断涌现和日益成熟，自冷散热的热管散热器已经在功率散热方面逐步应用，而且起到了明显效果[2-3]。

大功率热管整流柜在散热片内嵌了真空导热管，大大降低了热阻;同时，在导热管中灌注了低沸点的散热剂，实现了自然条件下的高效散热。在热管整流柜中，各功率器件采用开放式安装，无需设置密闭风道，这样既大大提高了设备的可维护性和各电气设备的绝缘性能，又可避免因高速风压吸取的粉尘在散热器里的堆积，提高了散热器长期工作的可靠性。热管自冷散热和强迫风冷散热的技术特点分析结果如表2所列。

2.2 熱管整流柜的组成

对大功率热管整流柜，采用6套环路环形热管散热可控硅组件构成三相全控桥整流电路，整流柜单柜自冷额定输出电流为2 500 A。整流装置的冷却系统由环路环形热管散热器组件、温度传感器以及辅助风机共同组成，正常运行时，整流柜进行自冷散热[4]。

整流柜配有独立的光纤控制器，对三相交流输入和两相直流输出的每相均装设1只电流互感器。根据交流输入波形同步计算每只可控硅流过的电流，以判断可控硅导通情况。各整流柜通过网络通信获取每个整流柜和每个桥臂的输出电流，从而调整任一桥臂及整流桥的输出实现并联运行整流桥之间的电流均衡，达到智能均流。桥臂触发原理如图2所示。

为了对每只可控硅的运行温度进行监测，为整流柜配置了无线测温系统，并在调节器的人机界面实时显示监测结果。同时，为整流柜配置了备用风机，当可控硅运行温度达到设定值时，整流柜可以自动启动风机并进行温度越限报警[5]。

2.3 环路环形热管散热组件

环路环形热管是由2个回路热管并列运行的热管形式，如图3所示。它具有两相流体回路，一侧加热另一侧进行冷却，其液体通道和蒸汽通道进行自动分离，液体和气体在环路管内形成循环，这样就避免了汽、液间的相互干扰[6-7]。在蒸发器中设置有毛细吸液芯，从而可提供循环动力。在工作时，由于冷凝器内没有毛细吸液芯，这样就实现了热量传导的单向性[8-9]。

环路环形热管散热器是在环路环形热管的基础上，结合铝型材散热器易于加工成型的特点进行的设计。在型材体内加工成蒸发腔和冷凝腔，在蒸发腔和冷凝腔之间通过跨接腔进行连接而形成环形回路，让热管的工作液在散热器型材内腔中循环。这种隐式热管代替了常规的预埋铜质热管方式，消除了铝型材与铜管之间的接触热阻，优化了加工工艺，提升了散热效率[10]。

3 试验平台

3.1 试验平台的组成

为了验证热管整流柜的散热效果，在瑞士ABB公司试验室对大功率热管整流柜进行了额定输出能力测试，该测试平台接线原理图如图4所示[11]。图4中，DUT为STR-2500 RG环形热管整流柜;CSI为ABB UNITROL励磁控制器，它提供三相全控桥的触发脉冲，控制整流柜输出电流;MUT为Agilent温度录波器，能够自动记录20个通道的温度曲线，通道扫描时间为10 s[11-13]。

3.2 测温电阻的敷设

整流柜散热器温度测试采用热电偶贴片方式进行测温，选取V12、V13、V14三组典型热管散热器组件进行温升测试。在3组散热器的可控硅阳极和阴极压接面2 cm处，以及在散热器的顶部安装有热电偶监测温度;另外，设计有1路整流柜阻容保护电容温度测点，共计10路测温点。整流柜可控硅采用eupec公司生产的T2851N型可控硅。

4 测试试验

4.1 整流柜温升试验

整流柜在无风条件自冷状态下运行，此时环境温度为23.5℃，整流柜初始电流为3 000 A。散热器温度逐步升高并在该条件下运行2 h后，将整流柜输出电流降低至2 793 A、且维持温度稳定，本文将其定义为运行工况一。试验继续将电流降低至2 547 A运行，并直至热管散热器测试点温度稳定，本文将其定义为运行工况二。试验过程中，对7 h内热管散热器的温升情况进行数据录波，其温升曲线如图5所示。其中，V12A、V13A、V14A为可控硅阳极侧散热器测温点，V12C、V13C、V14C为可控硅阴极侧散热器测温点，V12_Top、V13_Top、V14_Top为热管散热器顶部测温点，V11为阻容保护电容温度测点，Id为整流柜输出电流。

4.2 整流柜输出能力计算

热管整流柜由6组型材热管散热器组成，每组热管散热器装配一只可控硅。每组热管散热器的热阻由可控硅热阻与热管散热器热阻共同组成。为了准确计算热管散热器组件热阻，根据散热器温升曲线图，选取温升为平均值的V12热管散热器组件进行热阻计算，其组件温升曲线如图6所示。

整流柜可控硅使用德国eupec公司生产的T2851N型可控硅，对于可控硅散热方式，则采用热管散热器以实现可控硅双面冷却，其详细参数如表3所列。

6 结 论

乌东德水电站热管整流柜经过实验室测试和现场长期运行，结果表明：

（1） STR-2500 RG热管整流柜具有长期稳定输出2 500 A电流的能力，并具有一定的输出安全裕度。

（2） 乌东德水电站机组励磁系统采用STR-2500 RG热管整流柜4柜并联运行，整流柜实现了智能均流。当整流柜中的2柜因故障退出运行时，能满足1.1倍额定励磁电流4 523 A条件下长期运行的条件。

（3） 环路环形热管整流柜具有散热能力强、传热性能高等优点，解决了传统的强迫风冷整流柜噪音高、灰尘大的问题，具有很大的推广应用前景。

参考文献：

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[10] 周宇，张敬，田会莉，等. 一种隐式环路环形热管散热器：中国，201120433196.5[P].2012-07-11.

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[13] 樊俊，陈忠，涂光瑜.同步发电机半导体励磁原理及应用[M].北 京：水利电力出版社，1981.

（编辑：赵秋云）