烏東德水電站機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)熱管整流柜設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

王波 余翔 胡先洪 張敬 陳小明

摘要：目前水電站機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)大功率整流柜普遍采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱方式，因此需要定期對(duì)功率框進(jìn)行濾網(wǎng)更換和風(fēng)道清灰;同時(shí)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)也會(huì)產(chǎn)生比較高的噪聲污染。為此，經(jīng)過研究和試驗(yàn)，對(duì)烏東德水電站電廠勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合熱管技術(shù)和智能均流功能，實(shí)現(xiàn)了大功率整流柜的自冷運(yùn)行。

介紹了熱管原理、熱管整流柜額定輸出能力的核算方法，以及所用熱管整流柜在瑞士ABB公司實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的大電流溫升測試情況。

實(shí)踐證明：這種熱管整流柜在現(xiàn)場長期運(yùn)行后的狀態(tài)穩(wěn)定，說明熱管整流柜在最大水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)中的運(yùn)用獲得了成功，這一創(chuàng)新技術(shù)可對(duì)今后大容量發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)的升級(jí)改造提供借鑒和參考。

關(guān) 鍵 詞：

整流柜設(shè)計(jì); 熱管散熱器; 溫升測試; 勵(lì)磁系統(tǒng); 烏東德水電站

中圖法分類號(hào)： TM31;TM341

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.05.019

近年來我國的水電建設(shè)事業(yè)得到了飛躍發(fā)展，金沙江水電基地的溪洛渡、向家壩水電站已經(jīng)成功運(yùn)行，烏東德、白鶴灘水電站即將全部投產(chǎn)[1]。烏東德水電站是金沙江下游河段4個(gè)水電梯級(jí)電站中的第一個(gè)梯級(jí)，也是目前世界上在建的第三大水電站。烏東德水電站左、右岸地下廠房內(nèi)各安裝6臺(tái)850 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，首臺(tái)機(jī)組已于2020年6月并網(wǎng)發(fā)電，是目前世界上已投運(yùn)的單機(jī)容量最大的水輪發(fā)電機(jī)組。烏東德水電站勵(lì)磁系統(tǒng)整流柜采用了環(huán)形熱管散熱技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了完全自冷運(yùn)行。及時(shí)總結(jié)熱管整流柜成功運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)對(duì)今后大型水電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)的升級(jí)改造具有很好的借鑒意義。

1 發(fā)電機(jī)主要參數(shù)

如圖1所示，烏東德電站勵(lì)磁裝置由一面勵(lì)磁調(diào)節(jié)器柜、四面大功率熱管整流柜、一面滅磁與過電壓保護(hù)柜以及一面碳化硅電阻柜組成。

2 大功率熱管整流柜

2.1 熱管散熱技術(shù)分析

當(dāng)今電力電子技術(shù)和生產(chǎn)制造工藝的發(fā)展日新月異，采用單只可控硅構(gòu)成的大功率整流柜已經(jīng)在勵(lì)磁系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。在可控硅冷卻方式上，通常采用鋁型材散熱器進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱，隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)和日益成熟，自冷散熱的熱管散熱器已經(jīng)在功率散熱方面逐步應(yīng)用，而且起到了明顯效果[2-3]。

大功率熱管整流柜在散熱片內(nèi)嵌了真空導(dǎo)熱管，大大降低了熱阻;同時(shí)，在導(dǎo)熱管中灌注了低沸點(diǎn)的散熱劑，實(shí)現(xiàn)了自然條件下的高效散熱。在熱管整流柜中，各功率器件采用開放式安裝，無需設(shè)置密閉風(fēng)道，這樣既大大提高了設(shè)備的可維護(hù)性和各電氣設(shè)備的絕緣性能，又可避免因高速風(fēng)壓吸取的粉塵在散熱器里的堆積，提高了散熱器長期工作的可靠性。熱管自冷散熱和強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱的技術(shù)特點(diǎn)分析結(jié)果如表2所列。

2.2 熱管整流柜的組成

對(duì)大功率熱管整流柜，采用6套環(huán)路環(huán)形熱管散熱可控硅組件構(gòu)成三相全控橋整流電路，整流柜單柜自冷額定輸出電流為2 500 A。整流裝置的冷卻系統(tǒng)由環(huán)路環(huán)形熱管散熱器組件、溫度傳感器以及輔助風(fēng)機(jī)共同組成，正常運(yùn)行時(shí)，整流柜進(jìn)行自冷散熱[4]。

整流柜配有獨(dú)立的光纖控制器，對(duì)三相交流輸入和兩相直流輸出的每相均裝設(shè)1只電流互感器。根據(jù)交流輸入波形同步計(jì)算每只可控硅流過的電流，以判斷可控硅導(dǎo)通情況。各整流柜通過網(wǎng)絡(luò)通信獲取每個(gè)整流柜和每個(gè)橋臂的輸出電流，從而調(diào)整任一橋臂及整流橋的輸出實(shí)現(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行整流橋之間的電流均衡，達(dá)到智能均流。橋臂觸發(fā)原理如圖2所示。

為了對(duì)每只可控硅的運(yùn)行溫度進(jìn)行監(jiān)測，為整流柜配置了無線測溫系統(tǒng)，并在調(diào)節(jié)器的人機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測結(jié)果。同時(shí)，為整流柜配置了備用風(fēng)機(jī)，當(dāng)可控硅運(yùn)行溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，整流柜可以自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)并進(jìn)行溫度越限報(bào)警[5]。

2.3 環(huán)路環(huán)形熱管散熱組件

環(huán)路環(huán)形熱管是由2個(gè)回路熱管并列運(yùn)行的熱管形式，如圖3所示。它具有兩相流體回路，一側(cè)加熱另一側(cè)進(jìn)行冷卻，其液體通道和蒸汽通道進(jìn)行自動(dòng)分離，液體和氣體在環(huán)路管內(nèi)形成循環(huán)，這樣就避免了汽、液間的相互干擾[6-7]。在蒸發(fā)器中設(shè)置有毛細(xì)吸液芯，從而可提供循環(huán)動(dòng)力。在工作時(shí)，由于冷凝器內(nèi)沒有毛細(xì)吸液芯，這樣就實(shí)現(xiàn)了熱量傳導(dǎo)的單向性[8-9]。

環(huán)路環(huán)形熱管散熱器是在環(huán)路環(huán)形熱管的基礎(chǔ)上，結(jié)合鋁型材散熱器易于加工成型的特點(diǎn)進(jìn)行的設(shè)計(jì)。在型材體內(nèi)加工成蒸發(fā)腔和冷凝腔，在蒸發(fā)腔和冷凝腔之間通過跨接腔進(jìn)行連接而形成環(huán)形回路，讓熱管的工作液在散熱器型材內(nèi)腔中循環(huán)。這種隱式熱管代替了常規(guī)的預(yù)埋銅質(zhì)熱管方式，消除了鋁型材與銅管之間的接觸熱阻，優(yōu)化了加工工藝，提升了散熱效率[10]。

3 試驗(yàn)平臺(tái)

3.1 試驗(yàn)平臺(tái)的組成

為了驗(yàn)證熱管整流柜的散熱效果，在瑞士ABB公司試驗(yàn)室對(duì)大功率熱管整流柜進(jìn)行了額定輸出能力測試，該測試平臺(tái)接線原理圖如圖4所示[11]。圖4中，DUT為STR-2500 RG環(huán)形熱管整流柜;CSI為ABB UNITROL勵(lì)磁控制器，它提供三相全控橋的觸發(fā)脈沖，控制整流柜輸出電流;MUT為Agilent溫度錄波器，能夠自動(dòng)記錄20個(gè)通道的溫度曲線，通道掃描時(shí)間為10 s[11-13]。

3.2 測溫電阻的敷設(shè)

整流柜散熱器溫度測試采用熱電偶貼片方式進(jìn)行測溫，選取V12、V13、V14三組典型熱管散熱器組件進(jìn)行溫升測試。在3組散熱器的可控硅陽極和陰極壓接面2 cm處，以及在散熱器的頂部安裝有熱電偶監(jiān)測溫度;另外，設(shè)計(jì)有1路整流柜阻容保護(hù)電容溫度測點(diǎn)，共計(jì)10路測溫點(diǎn)。整流柜可控硅采用eupec公司生產(chǎn)的T2851N型可控硅。

4 測試試驗(yàn)

4.1 整流柜溫升試驗(yàn)

整流柜在無風(fēng)條件自冷狀態(tài)下運(yùn)行，此時(shí)環(huán)境溫度為23.5℃，整流柜初始電流為3 000 A。散熱器溫度逐步升高并在該條件下運(yùn)行2 h后，將整流柜輸出電流降低至2 793 A、且維持溫度穩(wěn)定，本文將其定義為運(yùn)行工況一。試驗(yàn)繼續(xù)將電流降低至2 547 A運(yùn)行，并直至熱管散熱器測試點(diǎn)溫度穩(wěn)定，本文將其定義為運(yùn)行工況二。試驗(yàn)過程中，對(duì)7 h內(nèi)熱管散熱器的溫升情況進(jìn)行數(shù)據(jù)錄波，其溫升曲線如圖5所示。其中，V12A、V13A、V14A為可控硅陽極側(cè)散熱器測溫點(diǎn)，V12C、V13C、V14C為可控硅陰極側(cè)散熱器測溫點(diǎn)，V12_Top、V13_Top、V14_Top為熱管散熱器頂部測溫點(diǎn)，V11為阻容保護(hù)電容溫度測點(diǎn)，Id為整流柜輸出電流。

4.2 整流柜輸出能力計(jì)算

熱管整流柜由6組型材熱管散熱器組成，每組熱管散熱器裝配一只可控硅。每組熱管散熱器的熱阻由可控硅熱阻與熱管散熱器熱阻共同組成。為了準(zhǔn)確計(jì)算熱管散熱器組件熱阻，根據(jù)散熱器溫升曲線圖，選取溫升為平均值的V12熱管散熱器組件進(jìn)行熱阻計(jì)算，其組件溫升曲線如圖6所示。

整流柜可控硅使用德國eupec公司生產(chǎn)的T2851N型可控硅，對(duì)于可控硅散熱方式，則采用熱管散熱器以實(shí)現(xiàn)可控硅雙面冷卻，其詳細(xì)參數(shù)如表3所列。

6 結(jié) 論

烏東德水電站熱管整流柜經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室測試和現(xiàn)場長期運(yùn)行，結(jié)果表明：

（1） STR-2500 RG熱管整流柜具有長期穩(wěn)定輸出2 500 A電流的能力，并具有一定的輸出安全裕度。

（2） 烏東德水電站機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)采用STR-2500 RG熱管整流柜4柜并聯(lián)運(yùn)行，整流柜實(shí)現(xiàn)了智能均流。當(dāng)整流柜中的2柜因故障退出運(yùn)行時(shí)，能滿足1.1倍額定勵(lì)磁電流4 523 A條件下長期運(yùn)行的條件。

（3） 環(huán)路環(huán)形熱管整流柜具有散熱能力強(qiáng)、傳熱性能高等優(yōu)點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)的強(qiáng)迫風(fēng)冷整流柜噪音高、灰塵大的問題，具有很大的推廣應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王波，孔明，袁志鵬.向家壩發(fā)電機(jī)滅磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及選型[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測，2015（2）：16-19.

[2] 陸繼明，毛承雄，樊澍，等.同步發(fā)電機(jī)微機(jī)勵(lì)磁控制器[M].北京：中國電力出版社，2006.

[3] 馮劍濤，石體強(qiáng)，朱曉韜.漫灣水電站勵(lì)磁系統(tǒng)可控硅整流柜的改造[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測，2003，27（2）：26-29.

[4] 黃大可，王洪波.新型自冷熱管散熱勵(lì)磁整流器的研制應(yīng)用[J].水電廠自動(dòng)化，2011（3）：22-27.

[5] 王波，張敬，周宇，等.回路熱管散熱器在大功率整流裝置中的應(yīng)用[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測，2006（5）：30-32.

[6] 許敬濤，梁永萬，李孔潮，等.勵(lì)磁功率柜散熱設(shè)計(jì)[J].大電機(jī)技術(shù)，2011（1）：61-64.

[7] 陳建業(yè)，吳文偉.大功率變流器冷卻技術(shù)及其進(jìn)展[J].大功率變流技術(shù)，2010（1）：15-24.

[8] 楊帆，董德平.回路熱管工作溫度的控制方式[J].航天器工程，2010（2）：40-44.

[9] 劉仍通，潘陽.回路熱管在電子冷卻的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].制冷與空調(diào)，2011（1）：65-68.

[10] 周宇，張敬，田會(huì)莉，等. 一種隱式環(huán)路環(huán)形熱管散熱器：中國，201120433196.5[P].2012-07-11.

[11] 竺士章.發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)試驗(yàn)[M].北京：中國電力出版社，2005.

[12] 李基成.現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M]. 北京：中國電力出版社，2002.

[13] 樊俊，陳忠，涂光瑜.同步發(fā)電機(jī)半導(dǎo)體勵(lì)磁原理及應(yīng)用[M].北 京：水利電力出版社，1981.

（編輯：趙秋云）