基于热管换热技术的新型阀冷主泵电机端盖的设计

2022-12-02马修伟李帅兵彭华坤

通信电源技术 2022年14期

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。