基于熱管換熱技術的新型閥冷主泵電機端蓋的設計

馬修偉，李帥兵，趙 陽，彭華坤，張 鵬

（國網河南省電力公司直流中心，河南 鄭州 450000）

1 閥冷系統

換流閥有3種冷卻方式，分別是風冷、油冷和水冷。其中風冷和油冷是早期直流輸電工程所采用的方式，20世紀80年代后則幾乎全部采用水冷方式。純水具有良好的絕緣性和導熱性，非常適合作為換流閥的冷卻工質。目前換流閥水冷系統制造技術成熟、冷卻效果理想、運行經驗豐富、檢修維護方便，已經成為直流輸電工程換流閥冷卻的主要方法。

換流閥水冷系統由內冷系統和外冷系統2部分組成。內冷系統是一個密閉的回路，通常采用純水或純水與乙二醇的混合物作為循環工質。內冷系統包括主循環回路、去離子回路、氮氣穩壓回路和補水回路。主循環回路流經主循環冷卻水泵（以下簡稱主泵）、主過濾器、電加熱器、脫氣罐等，進行換流閥的降溫。其中主泵是驅動內冷系統的總動力源，是保證系統穩定運行的關鍵設備。通常采用臥式離心不銹鋼泵，一備一用。去離子回路流經離子交換器、精密過濾器、流量傳感器、電導率傳感器等，進行冷卻工質的凈化。氮氣穩壓回路流經膨脹罐、氮氣減壓閥等，進行循環系統的穩壓。補水回路由移動補水車供水，流經補水泵、補水罐、過濾器等，進行循環系統的補水。外冷系統分為空冷和水冷2種方式，通常是由換流站所處的地理位置決定的。以外水冷為例，外水冷系統由冷卻塔、噴淋回路、噴淋水池、噴淋補水回路、噴淋水自循環水處理回路、噴淋加藥和排水系統組成，對內冷系統循環工質進行降溫。圖1為簡化后閥冷系統的示意圖。

2 熱管技術

熱管又被稱為熱超導體，顧名思義是一種導熱性極高的裝置。熱管技術在1944年由美國人GAUGLER R S提出，并于1963年由美國洛杉磯Los Alamos國家實驗室的G.M.Grover正式命名，通過氨、水、丙酮、甲醇作為換熱工質，利用蒸發與冷凝包含的相變潛熱來進行熱量傳遞[1,2]。通常熱管由管殼、吸液芯和傳熱工質組成，分為蒸發段、絕熱段和冷凝段3個部分。管殼封閉，內壁布有吸液芯，傳熱工質則在其中流動換熱。工作時，液態工質在蒸發段吸收熱量，汽化為蒸氣，壓力升高，在壓力驅動下流向低壓冷凝段。隨后工質在冷凝段放熱液化，并沿著管壁的吸液芯在毛細力作用下回流至蒸發段，完成循環。

熱管在傳遞熱量時伴隨著工質在相變時吸收或釋放的大量潛熱，因此比普通熱導體（如金屬）具有更高的導熱效率。例如一根直徑為20 mm的銅-水熱管，其導熱能力是同直徑紫銅棒的1 500倍[3]。又因為相變時工質溫度近似恒溫，因此熱管具有良好的等溫性，可實現微小溫差內的傳熱。且熱管的傳熱方向可逆，其任意一端都能作為蒸發段或冷凝段使用。

熱管結構簡單、無運動部件，因此工作時無噪音、損耗小，運行安全可靠。熱管外形具有可塑性，因此可將其集成化做成小型導熱元件，也可以延展做成遠距離傳熱裝置，還可根據不同使用情況來改變蒸發段與冷凝段的傳熱面積，適配各種環境工況。圖2為熱管工作的傳熱示意圖。

熱管由于其優秀的導熱能力、恒溫能力和外形的可塑性，在各個領域都得到了廣泛的應用，小到微型電子元器件的散熱，大到家用熱管式太陽能熱水器，甚至在航天領域給人造衛星、空間站的向陽面和背陰面進行熱量傳遞，皆有熱管技術的用武之地。此外，在輸油管線工程、空調余熱回收和火電站空氣預熱等方面，熱管應用也比比皆是，有效地節能減耗，創造了較高的社會和經濟價值。

3 一種新型閥冷主泵電機端蓋

換流閥冷卻系統的總動力來自于主泵，主泵的長期穩定運行是保證整個冷卻系統能夠正常工作的關鍵，通常采用臥式離心不銹鋼泵，一備一用。主泵動力又來自于其電機，因此主泵電機一旦出現異常，整個閥冷系統就無法正常運行。

主泵電機在工作時一般需要記錄同軸度和溫度2個方面參數，同軸度徑向和軸向偏差應不大于0.1 mm，溫度根據電機絕緣等級，分為AEBFH這5個等級，最高允許溫度分別為105 ℃、120 ℃、130 ℃、155 ℃以及180 ℃[4]。閥冷系統主泵電機絕緣等級通常為F級，在155 ℃的工況下壽命可達10年，不過實際工況不會長期達到設計值，因此一般壽命在20年左右。

主泵電機在負載運行時所有的功率損耗最終都會變成熱能，使電機溫度升高，例如電機鐵芯在交變磁場中產生的鐵損，繞組通電后產生的銅損，還有一些其他損耗等等。如果長期運行在高溫之下，電機的絕緣材料會急劇老化，使電機壽命嚴重縮短，甚至損壞。因此控制電機溫度是保證電機長期正常運行的必要條件。

電機端蓋作為固定轉子軸空間位置、與固定電機定子的外殼相連的剛性元件，其鑄造與加工工藝一般要求結構盡可能簡單，便于成型，同時具有足夠的強度和剛度，防止內應力過大，產生裂紋。電機端蓋這種造型簡單、大面積又具有高強度的工藝設計，加之與轉子、外殼、電機內部空氣直接接觸，使之為應用熱管技術提供了充分的條件。

圖3是一種基于熱管技術的新型閥冷主泵電機端蓋的設計，采用銅-水熱管，蒸發段布置在端蓋軸承周圍，通過吸收轉子連接軸和內部空氣傳遞的熱量來進行散熱，并設有溫度傳感器，實時記錄端蓋溫度。熱管冷凝端設計成翅片散熱器形式，增大散熱面積，提高散熱效率。熱管真空度由散熱器前端的真空泵提供，端蓋外熱管部分設有真空傳感器來記錄管內實時壓力。溫度、壓力、真空泵抽氣速率和抽氣量等信號連接至集成控制模塊，方便數據采集和遠程操作。

通過真空泵抽真空，工質壓力達到相變點附近，并在蒸發段吸熱汽化，利用相變傳遞大量潛熱至冷凝段，再由散熱器冷凝為液體，沿管壁吸液芯回流至蒸發段，如此循環。工質在相變點附近只要存在微小溫差，即會發生相變，產生大量潛熱，其傳熱系數、熱流密度遠高于端蓋自身的金屬導熱，大大提高了傳熱效率。

4 工程應用

由于熱管的傳熱效率是端蓋自身金屬導熱的數百倍以上，而且可以在端蓋和環境溫差較小的情況下進行高效的熱傳遞，并保持自身良好的等溫性，不會產生額外的熱應力對端蓋造成不良影響，因此端蓋結合熱管技術作為給電機降溫的方法具有良好的可行性。與此同時，熱管結構簡單，無動態部件，損耗低、噪音小，傳熱效率高、使用壽命長等特點，使之在運行和維護上不需要過于關注，具有較高的安全可靠性。

熱管外殼一般為銅管或不銹鋼管密封而成，吸液芯則由極細的金屬銅絲或銅粉構成的多孔介質組成，依靠銅絲間隙的毛細作用力來回流液體工質。其間流動的傳熱工質根據工作溫度范圍的不同，可選用水、甲醇、氨、鈉、萘等。圖4為不同材料工作的溫度范圍[5]。

本設計采用標準銅—水熱管，如圖5所示。直徑8 mm，管殼為純銅材質，傳熱工質為純水，額定功率80 W，熱阻系數≤0.08 ℃/W，蒸發段和冷凝段傳熱系數為4 900～8 100 W/（m2·℃），啟動溫度15 ℃，允許溫度范圍0～350 ℃，理想溫度范圍20～200 ℃。通過真空泵抽真空，水的壓力達到相變點附近，如圖6所示，在電機端蓋吸熱汽化，壓力升高，同時流向壓力較低的散熱器，并放熱液化，再順著管壁吸液芯的毛細作用回流至端蓋，完成循環。相變傳熱能在微小溫差內傳遞大量潛熱，例如1 kg水在100 ℃時可以傳遞2 264 J的熱量，遠大于端蓋鑄鐵自身的導熱量，因此本設計能夠很好地實現電機散熱效果。

5 結 論

基于熱管換熱技術的新型閥冷主泵電機端蓋能夠利用傳熱工質的相變潛熱排出大量熱量，實現電機的有效降溫，避免其因溫度過高造成的使用壽命縮短或損壞，進而保障了整個換流閥冷卻系統長期安全穩定的運行，同時熱管結構簡單、易于維護，具有很高的社會和經濟效益。