熱管散熱技術(shù)在高原大型水電站勵磁系統(tǒng)應用優(yōu)勢分析

陳秋林，李兵偉，張 振，黃貞貴，何沐星，龍遠揚

（華能西藏雅魯藏布江水電開發(fā)投資有限公司，西藏 山南 856400）

1 序言

西藏位于我國西南部，平均海拔4 000 m以上，被稱為“世界屋脊”。西藏水能資源蘊藏量約為2億kW，占全國總量的30%。西藏水能資源主要集中雅魯藏布江流域。雅魯藏布江水能資源僅次于長江，干流水能蘊藏量為8 000萬kW，加上多雄藏布、年楚河、拉薩河、尼洋河和帕隆藏布等支流，水能蘊藏量約有9 000萬kW。

雅魯藏布江在西藏境內(nèi)河長2 057 km，總落差達5 435 m。目前正在開發(fā)的雅魯藏布江中游河段平均海拔4 500 m～3 000 m之間。已建成的ZM水電站海拔3 300 m，JC水電站海拔3 200 m。正在建設的DG水電站海拔超過3 400 m。隨著十四五開局，雅魯藏布江中游河段的大型水電站即將開工建設，這些大中型水電站海拔均在3 000 m以上。即將開發(fā)的雅魯藏布江下游河段總裝機容量超過7 000萬kW，這些巨型水電站的建設，對運行在高海拔地區(qū)的電氣設備來說，是非常嚴峻的考驗。

隨著海拔高度增加，大氣壓力下降，空氣密度和濕度相應地減少。這些氣候?qū)υ诟吆０蔚貐^(qū)運行的電氣設備來說，降低了設備絕緣能力；加大了電氣間隙擊穿電壓；降低了放電電壓，降低了電暈電壓；延長了開關(guān)電器滅弧時間；降低了設備散熱能力，造成設備溫升增加。

標準GB/T 20626.1《特殊環(huán)境條件 高原電工電子產(chǎn)品 第1部分：通用技術(shù)要求》規(guī)定：當空氣壓力或空氣密度的降低引起空氣介質(zhì)冷卻效應的降低。對于以自然對流、強迫通風或空氣散熱器為主要散熱方式的電工產(chǎn)品，由于散熱能力的下降，溫升自然就比內(nèi)陸地區(qū)增加了不少。在海拔至5 000 m范圍內(nèi)，每升高1 000 m，平均氣壓每降低7.7 kPa～10.5 kPa,溫升增加3%～10%。對于運行在高海拔地區(qū)的電氣設備，特別是重要的控制設備，為保證設備達到理想散熱效果，需要增加額外散熱設備或者提高設計等級才能滿足要求。

勵磁系統(tǒng)是水輪發(fā)電機重要控制設備，它的可控硅整流回路將交流電壓整流成直流電壓，給發(fā)電機勵磁繞組提供勵磁電流建立磁場，大中型發(fā)電機組勵磁電流往往超過幾千安培，可控硅元件在整流過程中會產(chǎn)生大量的熱量，如果不及時散熱，可控硅元件溫度會超過其溫升限值造成元件損毀，如何解決可控硅散熱問題，保證勵磁系統(tǒng)在高原環(huán)境下安全運行，后文做了重點介紹。

2 概述

發(fā)電機勵磁系統(tǒng)由勵磁變壓器、勵磁調(diào)節(jié)器、可控硅整流裝置、起勵裝置、滅磁及過電壓保護裝置等組成，原理接線如圖1所示。

圖1 可控硅整流勵磁系統(tǒng)原理圖

這種勵磁系統(tǒng)制造簡單，布置方便，工作可靠、維護便利，當電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時響應速度快。近年來我國大中型水輪發(fā)電機基本上都采用這種勵磁系統(tǒng)。

可控硅整流裝置將勵磁變壓器副邊電壓U2，整流成直流電壓Uf供給發(fā)電機勵磁繞組產(chǎn)生勵磁電流If，回路接線如圖2所示?？煽毓鑆T1～VT6交替導通和關(guān)斷，在導通過程中，有電流通過，由于可控硅內(nèi)部壓降等原因，會產(chǎn)生功率損耗導致發(fā)熱，這個發(fā)熱量與勵磁電流大小成比例關(guān)系。對于大型發(fā)電機組來說，勵磁電流往往超過幾千安培，單只可控硅的功率損耗會達到上千瓦，這種功率損耗轉(zhuǎn)化為熱量，對于硅元件來說，如果超過最大允許的器件管殼溫度（125℃）就會造成元件損壞。為了保證可控硅元件工作在安全溫度范圍內(nèi)，整流過程中產(chǎn)生的熱量需要及時散發(fā)出去。

圖2 可控硅整流回路原理圖

常規(guī)的做法是在可控硅元件兩端壓接散熱器，然后將六只可控硅（含散熱器）在柜體內(nèi)布置在密閉的風道內(nèi)，在柜體頂部或下部安裝大功率風機，通過散熱器表面流過定量的風量，將熱量帶出柜體實現(xiàn)熱交換，從而達到可控硅元件散熱的目的。

3 整流回路熱量計算

下面以某海拔2 500 m的水電站為例計算勵磁系統(tǒng)整流回路發(fā)熱量。

水電站機組相關(guān)參數(shù)：額定容量/功率：527.8 MVA/475 MW，額定電壓/電流：18 kV/16 929 A，額定勵磁電壓/電流：379 V/3 346 A，空載勵磁電壓 /電流：154 V/1 926 A。

標準DL/T583《大中型水輪發(fā)電機靜止整流勵磁系統(tǒng)及裝置技術(shù)條件》規(guī)定，勵磁系統(tǒng)可控硅整流柜采用N+1配置：即退出1個整流柜能保證2倍額定勵磁電流（6 692 A）強勵要求，退出2個整流柜能保證發(fā)電機1.1倍額定勵磁電流（3 680.6 A）長期工作，根據(jù)設計單個整流柜額定出力2 000 A等級，選擇4個整流柜并聯(lián)方式運行。選擇可控硅型號ABB 5STP 18H4200，可控硅參數(shù)：最高允許電壓=4 200 V，通態(tài)平均電流=2 075 A，門檻壓降=0.96 V，斜率電阻=0.285 mΩ，可控硅內(nèi)部接殼電阻=0.01 ℃/kW，可控硅與散熱器的接觸電阻=0.002 ℃/kW。

由參考文獻《電力電子變流技術(shù)》可知，三相可控硅整流電路中每只可控硅流過的電流為總輸出電流0.367倍。標準DL/T583要求發(fā)電機勵磁系統(tǒng)滿足正常1.1倍的額定勵磁電流長期運行；兩個及以上的整流柜并聯(lián)運行時，均流系數(shù)≥0.85。根據(jù)上述條件，整流柜輸出額定1.1倍電流時（3680.6A），分別計算1個整流柜、2個、3個、4個整流柜并聯(lián)運行時，每只可控硅流過的平均電流，根據(jù)ABB 5STP 18H4200說明書曲線表，查出每只可控硅流過不同電流時的發(fā)熱量（即功率損耗），數(shù)據(jù)見表1。

表1

由于單個整流柜額定出力2 000 A，故1個整流柜運行時不能滿足要求，故不予考慮。只考慮2個整流柜并聯(lián)時運行狀態(tài)，此時單個整流柜的發(fā)熱量（功率損耗）最大。參考標準JB/T 9684《電力半導體器件用散熱器選用導則》計算如下：

（1）每只可控硅最大允許的器件管殼溫度TC=Tjm-Rjc×RT=125-0.001×1 600=109 ℃（為可控硅最高允許溫度125℃）；

（2）最大允許的散熱器臺面溫度Ts=TCRcs×PT=109-0.002×1 600=105.8℃；

（3）散熱器理論計算的熱阻Rsa=（Ts-Ta)/RT=（105.8-40）/1 600=0.041 1℃/W（為環(huán)境溫度，取40 ℃）。

根據(jù)單只可控硅通過的電流和發(fā)熱量以及熱阻的計算值，選取型號SF17鑄鋁材質(zhì)的散熱器（熱阻Rsa=0.030℃/W，單只散熱器最大散熱量1 910 W，最大電流1 200 A）。

（4）在強迫風冷卻情況下，每只可控硅的溫升為T=（Rsa+Rjc+Rjh）PT=（0.03+0.01+0.002）×1 600=67.2 ℃（3個整流柜并聯(lián)運行時溫升37.8 ℃，4個整流柜并聯(lián)運行時溫升29.4℃）。

（5）安全裕量ΔT=Tjm-T-Ta=125-67.2-40=17.8℃滿足要求。

標準JB/T 9684《電力半導體器件用散熱器選用導則》規(guī)定：強迫風冷要求流過散熱器表面風速大于6 m/s，也就是要求風量Q≥6 000 m3/h。根據(jù)2 000 A電流等級整流柜選擇風機型號DKH-355-F-W.110，額定風量Q=6 000 m3/h，額定功率P=2.35 kW。

4 熱管散熱器比較優(yōu)勢

由于SF系列鑄鋁材質(zhì)散熱器（如圖3所示）熱阻大，需要大功率風機保證大風量流過散熱器，風速要求大于6 m/s才能保證冷卻效果。

圖3 SF系列鑄鋁材質(zhì)散熱器外形圖

采用強迫風冷的可控硅整流柜，一般將可控硅元件和散熱器安裝在密封的風道內(nèi)。由于采用密封風道安裝方式，存在以下缺點：①可控硅元件檢測、維護和更換非常困難；②可控硅元件安裝緊湊，風道內(nèi)流阻較大，對風壓的要求高；③一旦風機出現(xiàn)故障可控硅元件溫度會急劇上升，導致該整流柜必須退出運行；④冷卻風機長期運行時，環(huán)境中的粉塵顆粒被帶進柜體，附著在散熱器和可控硅表面，影響散熱，帶電粉塵會減小設備爬電距離降低絕緣水平；⑤運行的風機造成低頻率震動會對可控硅整流回路機械連接產(chǎn)生不良影響；⑥風機的噪音污染大；⑦風機長期運行，造成的廠用電損失不可低估。

為了解決上述問題，在可控硅散熱器方面，國內(nèi)逐步用熱管散熱器代替鑄鋁材質(zhì)的散熱器。熱管散熱器是美國在六十年代發(fā)明的一種傳熱元件，它利用熱傳導原理與制冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，透過熱管將發(fā)熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，其導熱能力超過任何已知金屬的導熱能力。熱管散熱器外形如圖4所示，熱管內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 熱管散熱器實物外形圖

圖5 熱管散熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

熱管內(nèi)部是一個密閉的管道，里面裝有一定量的純凈水，管道內(nèi)部空氣抽成接近真空狀態(tài)。安裝時傾斜角10°左右（末端比受熱端要高）， 熱量通過受熱體傳到熱管內(nèi)部，下端的水開始蒸發(fā)變?yōu)闅怏w（由于液體的沸點和氣壓有關(guān)，氣壓越小，沸點越低。在接近真空狀態(tài)下，溫度在冰點以上的話，水會蒸發(fā)，而且蒸發(fā)的很快），蒸發(fā)的氣體上升，流到熱管的尾部（末端），在散熱片散熱的情況下，熱量通過輻射的方式很快發(fā)散掉，溫度下降，熱管內(nèi)部末端氣體又液化成液體，流回熱管的受熱端，實現(xiàn)循環(huán)。

在受熱端水在汽化過程中，消耗大量的熱量；在末端，隨著溫度下降，氣體又液化成水。這種通過汽化-液化循環(huán)，實現(xiàn)熱量交換。由于水的蒸發(fā)潛熱很大，因此在傳輸很大的熱流時，兩端并不產(chǎn)生很大的溫差。

熱管散熱器就是利用此種熱管的高導熱性能，將發(fā)熱器件的熱量通過熱管傳導到較大面積的片型散熱片（翅片）上，達到大面積散熱的作用，如圖（5左）所示。由于熱管散熱器熱阻非常低，能確?？煽毓璧臏厣陆?。且從受熱端到末端溫差梯度小，形成一個等熱體。依靠熱管翅片發(fā)熱通過熱輻射方式使周圍空氣發(fā)熱，熱空氣上升形成柜體內(nèi)部空氣自然對流，從而將熱量散發(fā)。不需要冷卻風機就能達到自然散熱的效果。

目前，我國已掌握熱管散熱器制造技術(shù)，并成功在航空航天、冶金、電腦CPU散熱等領域開始了大規(guī)模的應用。

型號為SRH05F大功率可控硅熱管散熱器，熱阻Rsa=0.008℃/W，單額定散熱功率4 000 W，最大散熱功率5 500 W。上述電廠如果采用熱管散熱器，取消冷卻風機，在自然散熱情況下，2個整流柜并聯(lián)運行時可控硅的溫升為T=（Rsa+Ric+Rih）PT=（0.008+0.01+0.002）×1 600=32 ℃（3 柜并聯(lián)運行時溫升18℃，4柜并聯(lián)運行時溫升14 ℃）。

熱管自然散熱整流柜由于依靠空氣對流實現(xiàn)冷卻，不需要冷卻風機；整流柜無旋轉(zhuǎn)部件維護量少；噪音低；可控硅表面沒有粉塵絕緣程度高；節(jié)能環(huán)保等特點。

熱管散熱器采用開放式安裝，各可控硅元件之間距離較寬，整流元件兩極之間的距離也較寬，較大的改善了整流單元的電氣絕緣性能。安裝示意圖如圖6所示。

圖6 可控硅熱管散熱器安裝示意圖

上述水電廠，每臺發(fā)電機4個可控硅整流柜并聯(lián)運行時，按每年工作6 000 h計算，冷卻風機年消耗廠用電 W=2.35×4×6 000=5 6400 kW·h，每年所需的費用16 920元（0.3元/ kW·h），按每臺勵磁系統(tǒng)工作20年算，所消耗的電費1 692×20=33.84萬元。3臺機組共消耗的電費33.84×3=101.52萬元.如果采用熱管散熱整流柜，就少去了上述費用。

強迫風冷整流柜與熱管自然散熱整流柜性能對比見表1所示。

表1

5 工程應用

某海拔2 500 m的水電站勵磁系統(tǒng)采用熱管自然散熱可控硅整流柜的使用情況：

水電站機組參數(shù)：額定容量/功率：133.3 MVA/120 MW，額定電壓/電流：13.8 kV/5 578.2 A，額定勵磁電壓/電流：277 V/1 479 A。

設計選擇可控硅型號ABB 5STP 24H2800?？煽毓鑵?shù)：最高允許電壓=2 800 V，通態(tài)平均電流=26 255 A，門檻壓降=0.85 V，斜率電阻=0.16 mΩ，可控硅內(nèi)部接殼電阻 =0.01 ℃/kW，可控硅與散熱器的接觸電阻=0.002 ℃/kW，熱管散熱器型號SRH05F，熱阻 =0.008℃/W。

可控硅整流柜單柜額定出力2 000 A，單柜滿足額定1.1倍勵磁電流（1 626.9 A）長期運行。雙柜均流系數(shù)≥0.85。單柜運行時，每只可控硅通過電流597.1 A，雙柜運行時每只可控硅通過電流351.2 A，查5STP 24H2800說明書的曲線表對應的發(fā)熱功率為900 W和500 W。

采用熱管自然散熱情況下，單個整流柜運 行 時 可 控 硅 的 溫 升 為T=（Rsa+Ric+Rih）PT=（0.008+0.01+0.002）×900=18℃，2柜 并 聯(lián) 運 行 時溫升10℃。

該電站2臺機組采用2 000 A等級熱管自然散熱整流柜，自2009年運行以來，運行情況良好、可靠，溫升低（10～20℃）。勵磁系統(tǒng)已連續(xù)11年一直安全穩(wěn)定運行，沒有出現(xiàn)過一次故障。說明在高海拔地區(qū)，熱管自然散熱整流柜工作穩(wěn)定可靠。

6 小結(jié)

目前，額定出力2 000 A等級的可控硅熱管自然散熱整流柜，在多個600 MW、1 000 MW的火電機組以及700 MW的水電機組勵磁系統(tǒng)中已成功應用。

隨著西部大開發(fā)建設力度的增加，未來在西藏高海拔地區(qū)建設和投產(chǎn)的大型電站會越來越多，高海拔地區(qū)大氣壓力下降，空氣密度和濕度相應地減少，造成電氣設備散熱能力，設備溫升增加的問題完全可以通過新技術(shù)、新材料、新設備解決。

本文介紹的可控硅熱管自然散熱整流柜相比傳統(tǒng)強迫風冷整流柜，取消了冷卻風機，依靠空氣對流自然對流實現(xiàn)散熱，無旋轉(zhuǎn)部件維護量少，噪音低。節(jié)省了大量的廠用電，減少了電費支出還提高了設備的可靠性，在高海拔地區(qū)大中型水電廠值得推廣應用。