熱管散熱功率整流裝置的結構設計探討

國電南瑞科技股份有限公司電控分公司 李 潔 萬 泉

熱管散熱功率整流裝置的結構設計探討

國電南瑞科技股份有限公司電控分公司 李 潔 萬 泉

根據勵磁整流裝置的設計要求，制定了一種熱管散熱整流裝置的結構設計方案。在電器件選型，散熱，絕緣，模塊化設計等方面進行設計探討和研究，實現了自冷散熱單柜出力1600A。試驗柜的運行數據表明了該設計方案效果可靠穩定，值得進一步研究和推廣。

模塊化設計；整流裝置；熱管散熱；結構設計

引言

目前，大功率可控硅整流裝置一般采用鋁散熱器或銅散熱器，通過強迫風冷的方式對功率器件進行散熱。此種散熱方式需要配備高速風機，并要在功率器件和散熱器的外圍構建一個密閉的風道以提高風速和風壓。在長期的工程運行和維護中，我們發現這樣的結構形式仍然存在某些硬傷。密閉的風道結構不利于功率器件的檢測、維護和更換；且運行中粉塵被高速的風帶入風道內，堆積在散熱器上，影響散熱性能，帶電粉塵還會降低絕緣效果；而由于散熱完全依賴風機，風機在長期旋轉中一旦出現任何故障，該整流裝置就基本退出運行，設備的可靠性大大降低。風機運行時的巨大噪音也常常為人詬病。因此，無風機自然散熱技術越來越得到工程技術人員的重視。

熱管散熱器在自然風冷的條件下，熱阻最小可達到0.04℃/W。實現了自然條件下的高效散熱，能夠保證功率器件在遠低于其極限“結溫”狀態下長期穩定運行。熱管散熱技術的可控硅整流裝置具有結構簡單、穩定可靠、高效低噪的優點，有著廣闊的市場前景。

1 設計要求

對于中型水輪發電機組機組，設計要求單柜常規自冷散熱情況下輸出電流≥1000A。另外，研究熱管散熱整流裝置的結構設計，通過合理的器件布置達到最優的散熱效果，增強單柜可靠性，模塊化設計增強易維護性。

1.1 實現自冷散熱單柜出力1000A的關鍵因素

作為自并勵勵磁系統中重要組成部件之一的晶閘管整流裝置，其單柜輸出電流能力的大小決定了發電機勵磁系統整體性能和配置方案的設計。熱管散熱整流裝置的基本試驗目標為實現單柜自冷散熱出力1000A，需綜合考慮三個因素：

1．1．1 散熱器熱阻

散熱器的熱阻由散熱器材質和流過散熱器的風速決定，普通鋁（銅）實體散熱器在進口風速為6m/s條件下的熱阻一般為0.03℃/W，而熱管、水冷的熱阻在相同條件下僅為0.01℃/W；自然風冷的條件下，熱阻最小也可達到0.04℃/W，散熱效果明顯提高，從而提高整流柜的輸出能力。熱管內的縱向熱傳導是靠蒸汽來完成的，適當的內部結構可提供足夠的蒸汽壓力，加之水的蒸發比熱很大，因此在傳輸很大的熱流時，兩端并不產生很大的溫降，在傳熱原理上與金屬的熱傳導有著本質的不同。在某些應用范圍內熱管可以看成是一種最佳組合的工程結構，它相當于導熱率大大超過任何已知金屬的一種物體。

1．1．2 風速

由第一點可見，風速直接影響散熱器的熱阻，而風速主要由風機的風量出力決定，為了保證熱阻效率小，普通鋁（銅）實體散熱器需要所選風機在進風口的風速達到6m/s。熱管散熱器采用自冷模式，通過將熱量平均分布于散熱表面，傳熱至散熱表面空氣帶走熱量。通過合理設計散熱器四周腔體形成煙囪效應加速熱空氣換流，其自冷換流平均風速可達到0.5m/s。

1．1．3 風阻

由第二點可知，風壓是風速的主要影響因素，在風量不變的情況下，風壓與風阻成正比關系，即風阻增大，風壓上升。風道結構則是影響風阻的最主要因素。合理的自冷散熱風道應是增加進出口面積，減少風路非散熱器件引起的風阻，以加強散熱效果。

1.2 模塊化、維護便利性設計

整流柜的結構便利性設計主要考慮以下三方面：

1．2．1 主回路

電力行業標準《DL／T583 2006大中型水輪發電機靜止整流勵磁系統及裝置技術條件》［1］中提出，勵磁系統中的整流裝置若單柜故障，將其退出后系統仍能正常運行。因此，在結構設計時需考慮用最簡單的方法將故障整流裝置完全脫離勵磁系統，且便于檢修和維護，如快熔更換、阻容吸收回路維護等；

1．2．2 智能控制

智能控制模塊的電氣功能是測量各元件的電流、風機檢測、溫度檢測、對外接口及實時錄波等。在結構上考慮強、弱分離，且方便檢測。

1.3 絕緣設計

由于熱管散熱整流裝置主回路的電壓較高、電流較大，而機柜尺寸又受到限制，器件排布較為緊湊，因此必須在絕緣設計方面予以充分考慮。

2 設計方案及結構實現

2.1 單柜出勵1600A的實現

試驗樣柜選用一款型號為RDN1430的散熱器，并在其四周增加了一層PC擋板，主要作用是提高單位面積的出風量以及絕緣。自然冷卻的條件下，其熱阻為0.075℃/W，已能夠實現單柜出勵1600A，達到既定的試驗目標。

2．1．1 器件優化選型

對器件進行優化選型，在保證出力能力的前提下，在有限的空間里優選散熱特性好的器件及輔助散熱器。1）可控硅整流器件優選：計算各適用型號可控硅通態、開通及關斷功耗，優選總功耗容量低的可控硅器件；2）熱管散熱器的優選：選擇風阻小，單位體積散熱面積大的熱管散熱器。3）阻容吸收器件優選：可控硅在整流過程中產生換相過電壓能量需依靠阻容器件進行抑制吸收，在此過程中阻容吸收器件消耗過壓能量發熱，阻容吸收器的選型需在過壓抑 制效果與自身發熱尋求平衡點。

2．1．2 隔離發熱器件、形成煙囪效應

用PC擋板構建一個四面封閉的中空腔體，以形成煙囪效應。并將阻容、快熔等發熱源與風路隔離開，防止熱空氣渦流影響散熱效果。如圖1所示。

當散熱器與空氣換熱后，升溫的空氣密度變低自然上升將熱量帶走，自冷散熱迫切需要解決的問題是加強空氣的換熱量。煙囪效應使腔體內空氣沿著有垂直坡度的空間向上升或下降，造成空氣加強對流的現象，最終增加空氣的換熱量。熱管自冷散熱整流裝置在熱管四周形成密閉垂直的煙囪效應風道，加強熱管水平截面的風速流量，散熱腔體平均風速由0.3m/s提升至0.5m/s。

圖1 自冷散熱風路示意圖

2.2 模塊化、維護便利性的實現

熱管散熱實驗樣柜采用模塊化的設計思路，解決了產品品種、規格與設計制造周期、成本之間的矛盾，為生產和維護提供了便利。自冷散熱技術應用，在保證1000A出力的前提下極大減少了柜內空氣流量，使得柜內不易積灰，大幅減輕用戶維護工作量。

2．2．1 模塊化

柜體尺寸定為1000×1000×2260（寬×深×高，單位：mm）。首先將機柜內部劃分為六個部分，分別是智能控制組件、阻容組件、散熱器功率組件、刀閘組件、連接母線區和匯流母線區，如圖2所示。

圖2 機柜內部結構劃分

模塊化的設計思路即是對柜內器件按電氣原理和功能關系進行分類和歸整，使相關功能模塊在結構上自成一體，可單獨進行生產、檢測、拆卸和維護。熱管整流裝置分成了以下四大模塊：智能控制組件（圖3）、阻容組件（圖4）、散熱器功率組件（圖5）、刀閘組件（圖6），這四大組件采用各自獨立的結構形式，在柜內完成組合。各組件均可單獨進行生產、檢測、拆卸和維護。

圖3 智能控制組件

圖4 阻容組件

圖5 散熱器功率組件

圖6 刀閘組件

2．2．2 自冷散熱的結構實現

在熱管散熱整理裝置的設計實驗中，采用化整為零的風道腔體設計，以透明PC板構建的腔體整體上呈四周密閉的樣式，結構上是由多個平板拼接而成，無需拆卸任何器件就可輕易抽出和拆除。相比強迫風冷整流裝置的固定式風道，具有輕巧靈活，維護便利的優點。

2．2．3 智能控制、檢測等便利

智能控制盒及繼電器等固定于鈑金折彎加工的安裝盒里，這個組件可稱為智能控制模塊，它位于功率模塊的上方，如圖1所示，它可以方便地完成數據檢測等操作，并為整流裝置的安全穩定運行提供了支撐。

2.3 絕緣設計考慮

散熱器安裝架采用80mm×60mm的環氧柱構成，3240環氧材料在中溫下機械性能高，在高濕下電氣性能穩定，耐熱等級F級（155度），因此選用環氧材料作為散熱器支撐和固定件，不僅能滿足電氣絕緣要求，還能可靠的固定散熱器。散熱器功率組件四周的PC擋板具有高透光率、高抗沖擊韌性以及高機械強度，良好的電氣絕緣性、非常好的尺寸穩定性以及耐熱不變形能力，常用于開關柜電器防護罩、采光罩等。此處的主要作用是提高單位面積的出風量以及絕緣。

3 總結

本文針對熱管散熱勵磁整流裝置的要求， 提出了一整套結構設計實施方案。整體布局合理，既滿足了散熱和電氣方面的要求，又實現了結構設計的模塊化。對于用戶來說大幅減輕了對勵磁整流裝置的維護工作，也可以增強勵磁整流裝置運行的可靠性。計算機仿真數據和現場試驗的運行情況表明，該整流裝置的結構設計合理可行，滿足投入生產和進一步研發的條件。

[1]電力行業標準．DL／T583 2006大中型水輪發電機靜止整流勵磁系統及裝置技術條件[S]．

李潔，女，工學學士，助工，主要從事電力電子設備結構設計工作。

Structure Design of Power Rectifier Cabinet with Heat Pipe Cooling

Li jie Wan quan
(NARI technology Co, LTD in Nanjing, Jiangsu 211106)

A structure design scheme is put forward for the heat pipe cooling type rectifier cabinet based on the requirement for excitation rectifying equipment. Research is carried out on the selection of rectifier element, heat dissipation, insulation and modular design, which achieved a single cabinet output of 1600A with self-cooling. The operation data of the trial cabinet showed the stability and reliability of the design. The structure design scheme can be put to wide use and further study.

modular design; rectifier; heat pipe; structure design