一种用于柔性直流输电换流阀的冷却系统的制作方法

本发明涉及柔性直流输电换流阀领域，具体讲涉及一种用于柔性直流输电换流阀的冷却系统。

背景技术：

一次冷却系统用于冷却柔性直流输电igbt换流阀内发热的电力电子元器件的冷却介质，一次冷却系统采用新型高效的相变冷却技术，它是靠冷却介质相变时的汽化潜热来带走发热元器件的发热量，使其温度降低。柔性直流输电igbt换流阀运行时，igbt(绝缘栅双极型晶体管)、均压电阻通过散热器将热量传递给相变冷却介质，相变冷却介质吸收热量，温度升高，当达到工作压力下的饱和温度时，冷却介质在散热器内部开始沸腾、汽化吸热，气液混合物进入冷凝器中冷凝、释放热量，被冷凝的介质通过主进液管、进液汇流管及进液支管回到散热器中继续循环，形成密闭无泵自循环系统。

二次冷却系统用于将冷凝器内气液混合物冷凝所释放的热量带走，其是通过二次冷却水与冷凝器进行换热，二次冷却水经过冷凝器后温度升高，由循环主泵进行升压，并通过二次冷却装置来进行降温，将热量散到周围环境中去。

最后，由于一次冷却系统与二次冷却系统是通过冷凝器间接换热，一次冷却系统内的相变冷却介质不与二次冷却水进行接触，不但能有效保证一次冷却系统运行的可靠性，还可根据环境要求，选用不同的二次冷却介质(水+乙二醇及纳米流体)来提高二次冷却系统抗低温性。

随着输电技术的发展，柔性直流输电igbt换流阀的冷却方式经历由空冷、油冷到水冷却方式的转变，相对空冷、油冷而言，水的导热系数最高，比热容量最大，对流换热能力最强，空气、油、水的对流换热系数比为1：10：100，所以采用水冷可以大大改善冷却效果，降低igbt的结温，提高设备运行的可靠性。然而近几年，随着我国新能源发电及分布式能源的快速发展，柔性直流输电换流阀电压等级由±320kv提升到±500kv，乃至更高的±800kv，导致柔性直流输电核心装备igbt换流阀损耗大幅提升，元器件功率密度相应增加，对igbt(绝缘栅双极型晶体管)等电力电子元器件冷却带来极大挑战。

目前，水冷方式存在冷却效率低、水处理系统复杂、温度分布不均及泄漏导致的绝缘失效等一系列问题，以致不能更好的满足大容量柔性直流输电工程的需求，相变冷却的现有技术研究方向侧重于发电机技术领域、功率电子管和gto逆变器领域，几乎没有对柔性直流输电igbt换流阀装置应用相变冷却方面的研究，更没有将相变冷却技术与二次冷却系统结合运用的相关研究。

因此，需要提供一种技术方案来克服现有技术的不足。

技术实现要素：

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明通过如下技术方案实现：

一种用于柔性直流输电换流阀的冷却系统，柔性直流输电换流阀包括：由igbt换流阀子模块15串联组成的igbt换流阀模块16；

冷却系统包括：一次冷却系统和二次冷却系统；

一次冷却系统包括：冷凝器7及其换热组件；

二次冷却系统包括：二次冷却装置11及其设置的换热器、二次冷却介质出口管12、二次冷却介质回流管13和循环泵14。

二次冷却装置11与冷凝器7间的二次冷却介质回流管13设有循环泵14；

二次冷却介质出口管12与冷凝器7的冷却介质入口相连。

igbt换流阀子模块15包括：设于散热器3表面的igbt1和均压电阻2；

散热器3的两端设有冷却介质进口和出口。

冷却散热器3的换热组件包括：冷却介质出口支管4、冷却介质出口汇流管5、冷却介质主出口管6、冷却介质主进口管8、进口汇流管9和进口支管10；

冷却介质从散热器3排出后，经出口支管4、出口汇流管5、主出口管6进入冷凝器7。

二次冷却介质为水、水加乙二醇、或水加纳米流体。

散热器3的材质按质量百分比计的下述组份制得：硅si：0.30～0.6、铁fe：0.10～0.30、铜cu：≤0.10、锰mn：≤0.10、镁mg：0.35～0.6、铬cr：≤0.05、锌zn：≤0.15、钛ti：≤0.余量为铝al(最小值)：未指定的其他元素：每种：≤0.05；合计：≤0.15。

igbt1与散热器3间的触面涂有按重量份数计的下述组份制得的导热材料：石蜡油10-20份，硬脂酸3-8份，二丁基二硫代氨基甲酸锌3-7份，天然橡胶15-25份，聚二甲基硅氧烷7-11份，增塑软化剂4-8份，乙丙橡胶20-30份，有机硅硅氧烷8-12份，促进剂1-3份。

循环泵14包括：设有进口144、出口145及电机141的泵体142。

泵体设有叶轮147，叶轮147设于电机转轴149的一端，电机转轴149通过机械密封148与泵体142相连，电机141与泵体142间设有散热导管143，散热导管143一端与电机的壳体相连，另一端穿过泵体142与泵体的内腔相连，散热导管143与泵体142密封连接，散热导管与泵体间用氢化丁晴橡胶密封套连接。

散热器3设有与监控记录仪相连的温度传感器。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有如下有益效果：

1、本发明的冷却效率高，相变冷却系统利用冷却介质相变过程中的汽化潜热，热交换效率高，能有效保证igbt及均压电阻等关键元器件在安全的温度下运行，克服了局部过热的缺点；由于相变冷却介质在冷凝器内冷凝放热，使得冷却水与冷凝器间的换热效率高；

2、本发明的损耗小、运行效率高，通过冷却介质相变传热，减少了水冷却过程中去离子树脂等材料的消耗；

3、本发明的设备运行安全，无着火隐患，相变冷却介质在高电压下具有良好绝缘性能、无毒、不可燃、粘性低、有良好的热稳定性、化学稳定性及灭弧能力，若发生火灾或产生电弧，能有效控制事故的严重性；

4、本发明的冷却系统维护方便，经济性好，相变冷却系统(一次冷却系统)中相变冷却介质循环动力由igbt及均压电阻等元器件热损耗提供，无需外加动力，使整个系统自成独立的自循环系统。

附图说明

图1是本发明的冷却系统结构示意图；

图2是本发明的柔性直流输电换流阀模块示意图；

图3是本发明的柔性直流输电换流阀子模块示意图；

图4是本发明的循环泵结构示意图；

其中：1-igbt绝缘栅双极型晶体管、2-均压电阻、3-散热器、4-出口支管、5-出口汇流管、6-主出口管、7-冷凝器、8-主进口管、9-进口汇流管、10-进口支管、11-二次冷却装置、12-二次冷却介质出口管、13-二次冷却介质回流管、14-循环泵、15-igbt换流阀子模块、16-igbt换流阀模块、17-igbt换流阀、141-电机、142-泵体、143-散热导管、144-进口、145-出口、146-氢化丁晴橡胶密封套、147-叶轮、148-机械密封、149-电机转轴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的作进一步详细的描述。

本发明由柔性直流输电换流阀、相变冷却系统(一次冷却系统)及二次冷却系统组成；igbt换流阀子模块15由igbt1、均压电阻2及散热器3组成，六个换流阀子模块15构成一个igbt换流阀模块16，十个阀模块组成一个igbt换流阀17；相变冷却系统(一次冷却系统)由出口支管4、出口汇流管5、主出口管6、冷凝器7、主进口管8、进口汇流管9、进口支管10组成；二次冷却系统由二次冷却装置11、二次冷却介质出口管12、二次冷却介质回流管13及循环泵14组成。

igbt1布置在散热器3的表面，igbt1与散热器3相接触面间涂有高效导热材料；均压电阻2也布置在散热器3的表面；冷凝器7布置在igbt换流阀17的上方，冷凝器7通过主出口管6及主进口管8与igbt换流阀模块16组成相变冷却介质流通回路。

散热器3用于冷却igbt1及均压电阻2，散热器3内部有流道结构，散热器3有一个进口及一个出口，进口位于散热器3下方，出口位于散热器3上方；散热器3的出口通过出口支管4、出口汇流管5及主出口管6与冷凝器7的进口连接；散热器3的进口通过主进口管8、进液汇流管9及进液支管10与冷凝器7连接。

如图2所示，均压电阻2为长方体结构，均压电阻2贴在散热器3的表面，均压电阻2通过散热器3内部冷却介质的相变来进行间接冷却。

冷凝器7布置在igbt换流阀17上方，冷凝器7进口位于冷凝器左上方及右上方，冷凝器7的出口位于冷凝器底部，冷凝器7内部有高温气液混合物冷凝所需管路结构；冷凝器7具有容积可变稳压功能，冷凝器7必需的变化容积为最恶劣情况下沸腾冷却产生的蒸汽气体所占的体积与无负载时冷却介质液体由最低温度到最高温度(沸点)变化所产生的体积膨胀之和，再减去灌液时所剩余的那部分空间，冷凝器7顶部设有排气阀。

igbt1和阻尼电阻2不发热时，由于散热器3内充满了冷却介质，此时散热器3内的压力保持恒定；当igbt1和阻尼电阻2产生热负载时，在散热器3内产生的气液混合物在受到由于密度差导致的浮升力作用下上升，进入冷凝器7冷凝成液体，由于冷凝器7具有压力调节能力，这一过程也能保证散热器3内压力恒定。当igbt1等发热元件由有热载变为无热负载时，冷却介质液体会从冷凝器7经过主进口管8及进口汇流管9充满散热器3，能及时消除散热器3内的气态冷却介质，因此，在次相变冷却系统中，不管有无热负载，都可以保证冷却介质在恒定压力下的相变冷却。

二次冷却装置11位于igbt换流阀17所在阀厅的外部，二次冷却装置11由闭式冷却塔或闭式冷却塔串联空气冷却器组成，二次冷却装置11通过二次冷却介质出口管12、循环泵14及二次冷却介质回流管13与冷凝器7连接，冷凝器7中高温气液混合物冷凝释放的热量通过与二次冷却水间接换热，二次冷却水温度升高后通过二次冷却介质回流管13流动，由循环水泵14加压后进入二次冷却装置11中把热量散到周围环境温度中，被冷却后的二次冷却水通过二次冷却水进水管12进入到冷凝器7中，形成二次冷却系统回路。

本发明中igbt换流阀模块由六级igbt换流阀子模块15串联为实施案例，由igbt换流阀子模块15数量调整导致的结构变化，也在本发明范围之内；本发明中igbt换流阀17由十个igbt换流阀模块16组成为实施案例，根据换流阀承受电压等级变化导致的igbt换流阀模块16数量变化，也在本发明的保护范围之内。

本发明中二次冷却介质采用水，也可以采用水加乙二醇、或水加纳米流体等冷却介质。

散热器3为按质量百分比计的下述组份制得：硅si：0.30～0.6、铁fe：0.10～0.30、铜cu：≤0.10、锰mn：≤0.10、镁mg：0.35～0.6、铬cr：≤0.05、锌zn：≤0.15、钛ti：≤0.余量为铝al(最小值)：未指定的其他元素：每种：≤0.05；合计：≤0.15。

igbt1与散热器3间的触面涂有按重量份数计的下述组份制得的导热材料：石蜡油10-20份，硬脂酸3-8份，二丁基二硫代氨基甲酸锌3-7份，天然橡胶15-25份，聚二甲基硅氧烷7-11份，增塑软化剂4-8份，乙丙橡胶20-30份，有机硅硅氧烷8-12份，促进剂1-3份。

如图3所示的循环泵包括：泵体142，泵体上设置有进口144、出口145和电机141，进口144与出口145分别与泵体内腔连通，泵体内腔中设置有叶轮147，叶轮147固定安装在电机转轴149前端，电机转轴149通过机械密封148与泵体142连接，电机141与泵体142之间设置有多根散热导管143，散热导管143一端与电机壳体固定连接，另一端穿过泵体142与泵体内腔连通，散热导管143与泵体142密封连接。

上述散热导管143与泵体142之间通过氢化丁晴橡胶密封套146连接。

循环水泵开启后，电机141运转产生热量，热量通过多根散热导管143传导到泵体内腔，在泵体内腔由于叶轮147旋转带动水从进口144进从出口145出，流动的水流带走散热导管143上的热量，对电机进行降温，这种循环水泵结构简单，散热效果好，节能环保，大大提高循环水泵的使用寿命。

氢化丁晴橡胶密封套146，耐热、耐低温，具有优异的密封性能，避免因密封不良导致泵体142漏水。

循环泵通过多根散热导管将电机内部的热量传导到泵体内腔，通过流动的水流带走热量，对电机进行降温，结构简单，散热效果好，节能环保，大大提高循环水泵的使用寿命。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。