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深入浅出话励磁热管功率柜

2011-09-30 11:10阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/1400092520

一、励磁功率柜简述
在电力电子行业，将交流变为直流（整流）和将直流变为交流（逆变）的应用场合越来越多了，发电机励磁功率柜就是一个典型的应用。
发电机正常运行时，励磁装置功率部分提供可调的整流直流电，送到发电机的转子进行励磁即产生磁场，旋转的磁场切割发电机定子线圈，从而发电机发出交流电。当发电机停机时，励磁装置将转子直流电逆变成交流电进行灭磁，直到转子电流等于零为止。我们把既能整流又能逆变的这部分励磁装置功率部分成为励磁功率柜，也可以称为励磁整流柜。
励磁功率柜一般采用晶闸管三相全控桥整流电路，正常运行时整流（交流变直流），停机灭磁时逆变（直流变交流），主要技术要点如下图所示。
深入浅出话励磁热管功率柜
大功率晶闸管一般采用铝型材散热器，中间是晶闸管，两边是铝型材，组成一个晶闸管功率组件，如下图所示。
深入浅出话励磁热管功率柜

根据不同的结构需要，也有将两个晶闸管用三个铝型材组建在一起的双晶闸管组件，也有用两个晶闸管组成一个组件，如下图所示。
深入浅出话励磁热管功率柜
将这些晶闸管组件放到一个盘柜里面，按照三相全控桥连接，就成了一个励磁功率柜。由于采用热阻大的铝型材散热器，因此励磁功率柜必须配有冷却风机，有的风机装在盘柜下面，有的在上面，有的一个，有的两个，如下图所示。风机运行中振动大、噪声大、灰尘多，是常规励磁功率柜的最大缺点。
深入浅出话励磁热管功率柜
深入浅出话励磁热管功率柜
常规励磁功率柜还有一个缺点，那就是输出功率受到晶闸管温升的限制。晶闸管壳温按照国标和行标的温度是不超过80度，国外励磁行业通行做法是按照晶闸管允许温度限制，最大输出功率下管芯不超过125度，管壳不超过110度，正常运行下的壳温不超过80度。由于普通铝散热器的热阻大，晶闸管的温度主要集中在管壳，要使管壳温度不超过规定的限制，就只能降低晶闸管的输出功率。在同样风机条件下，如果采用热管散热器，晶闸管的温度会很快传导到散热器的末端，大大降低了晶闸管的管壳温度，也就大大提高了晶闸管的输出功率。
因此，励磁热管功率柜的应用有两个方向：取消冷却风机，采用自冷；保留风机，增到功率柜的出力。其主流方向是：取消风机，同时又有相当大的功率输出。
二、早期励磁热管功率柜简述
随着热管、热管散热器的广泛采用，励磁功率柜也开始采用热管散热器来装配晶闸管。由于热管散热器热阻低、传热效果好，因此励磁热管功率柜就可以不采用冷却风机或者采用小冷却风机，噪声小，灰尘少，很受运行单位欢迎。
我很早就听我的师傅万森海说过励磁热管功率柜，但是真正看到励磁热管功率柜，大概是2000年左右，我同葛洲坝电厂的邹先明专程到丹江口水电厂考察南京南瑞电控生产的励磁热管功率柜。最初的印象令我失望，功率柜里面的温度也不低，两个小风机必须长期投入使用，灰尘还不少。正是这个印象，暂时打消了我们葛洲坝电厂采用励磁热管功率柜的想法。
造成最初励磁热管功率柜运行效果并不好的原因，现在看来很清楚，那就是当时的励磁热管功率柜结构设计有问题，没有仔细考虑如何将柜内的热量传导到柜外去。当时的南瑞励磁热管功率柜，包括我国最早研制励磁热管功率柜的武汉洪山电工，都在励磁热管功率柜的结构考虑不周，里面过多的环氧板和大型器件阻碍了柜内热量的流动，限制了柜内热量传导到柜外的效率，所以造成了运行温度过高的问题，如下所示。
深入浅出话励磁热管功率柜
早期的励磁热管功率柜，都是采用的重力热管散热器。所谓重力热管散热器，我在《深入浅出话热管散热器》的博客中已经详细阐述，简单一句话，那就是一根直形热管，水平倾斜布置，热管里面的液体主要是因重力的作用回到热管底部的。
现在我来摘抄葛洲坝电厂高劲松、曾涛、邹先明、夏敬杰2006年《乌江渡电厂、西津电厂励磁热管功率柜考察报告》，从这里可以看到早期励磁热管功率柜的结构：
“乌江渡电厂1#发电机励磁功率柜采用热管冷却方式，由南瑞公司生产，2004年10月投入运行。发电机额定励磁电流1870A，额定励磁电压350V，有三个励磁功率柜，柜体长宽为1200mm×1200mm，柜顶和柜体后门有通风网格，热管散热器选用重力热管，单柜设计出力1800A，每个功率柜装有6个小风扇，6个测温元件安装在散热器中上端附近，只能测量柜内的空气温度，设定59℃启动小风扇。整个装置安装在厂房大厅，乌江渡电厂的厂房属地下厂房，厂房内环境温度较低，约27℃。”
“西津电厂1#机励磁系统功率柜采用热管冷却方式，由武汉洪山电工技术研究所生产，于1997年投运。发电机额定励磁电流1400A，有2个励磁功率柜，柜体长宽为1000mm×1000mm，柜顶和柜后门有通风网格，热管散热器选用重力热管，每个功率柜装有3个小风扇，每个风扇功率38W。功率柜背后装有2个柜式空调，整个励磁安装间与厂房大厅是封闭的。”
三、葛洲坝电厂励磁热管功率柜简述
葛洲坝电厂一直没有停止采用热管功率柜的想法，因为我们深知普通功率柜所带来的问题：风机振动大、噪声大、可靠性差、灰尘多等。在没有采用热管功率柜的时候，葛洲坝电厂以黄大可为首的励磁专家对普通功率柜的风系统进行了很多次改造，最成功的就是取消单个功率柜的风机，改分散冷却风机系统为集中冷却风机系统，利用风道将风机安装在风道的另一段，减少了风机数量，减少了风机振动对功率柜的影响，如下图所示。
深入浅出话励磁热管功率柜
鉴于早期重力热管散热器存在的诸多问题，2002年葛洲坝电厂联合三峡能事达公司和鞍山欧博达热管公司，开始研制环形重力热管功率柜，最终于2003年投运STR-1600RG热管功率柜，6个环形热管散热器上下布置，下面有两个小风机，温度超过设定值就启动风机进行辅助降温，温度低于设定值就停止风机，热管功率柜自冷运行。如下图所示。
深入浅出话励磁热管功率柜
从上图上看，STR-1600RG环形热管功率柜在结构上，柜内塞得满满当当，也存在风阻过大，柜内温度过高，散热器温度不均衡等问题。究其原因，正如葛电测控分部总结的那样：主要是由于盘柜前后门设计的散热孔比较小，再加上环形热管散热器体积大，影响了柜内的自然通风，并非是由于环形热管原理本身问题。造成这种情况是因为当时大家关注的是热管散热器原理问题，没有意识到将柜内热量排到柜外是热管功率柜必须解决的另一个重大技术问题。
针对STR-1600RG环形热管功率柜存在的问题，2006年葛洲坝电厂以黄大可为首励磁专家开始研制的GDR-1200普通重力热管小功率柜，虽然还是6个直形热管散热器上下布置，但是由于散热器体积小，减少了柜内风阻，并且在盘柜前后门上以及盘柜顶上多开通风口，打通了柜内热量与外部的交换通道，降低了柜内温度，取得了可喜的成绩。GDR-1200柜上部配置了三个小风机，当温度超高过设定值就启动，低于设定值就停止，如下图所示。
深入浅出话励磁热管功率柜
无论是STR-1600RG环形重力热管功率柜，还是GDR-1200直形重力热管功率柜，都是采用6个热管散热器上下布置，都存在一个限制其输出功率的短板效应：上层晶闸管热管散热器的环境温度比下层高，上层晶闸管的温升极限就是这个功率柜的输出极限，极大地降低了功率柜的输出能力。比如，按照下层晶闸管的温升极限考核该功率柜最大输出能力为1600A，但是如果按照上层晶闸管的温升极限来考核，该功率柜最大输出能力可能只能为1200A，因此，该功率柜的输出能力只能是1200A了。
另外，由于直形重力热管是柜内水平倾斜布置，如果增大直形热管功率或者是体积，就必须增大盘柜横向尺寸，因此直形重力热管的最大问题就是因为布置问题，不能大幅度提高其输出功率。
为了提高热管的输出功率，为了解决上层热管的环境温度比下层高的难题，早在2005年三峡能事达公司（顾宏进、吴光军、万和勇、周宇等）联合葛洲坝电厂（邵显钧、朱必良、高劲松等）和鞍山欧博达公司（郭度厚、张馨元等）继续攻关环形重力热管功率柜，研制STR-2500RG大热管功率柜（2500A），采用6个环形热管散热器水平布置，解决了上层晶闸管环境温度过高的短板效应，极大地提高了热管功率，如下图所示。该热管励磁功率柜即将投入三峡地下电站700MW机组上使用。
2010年11月底，黄大可等葛电技术人员再次对STR-2500RG环形热管功率柜进行温升试验，从小电流800A开始直到最大输出电流3000A，试验表明具有自冷条件下2500A输出能力。
深入浅出话励磁热管功率柜

2010年7月，ABB在瑞士励磁公司对STR-2500RG环形热管功率柜进行了大电流型式试验，证明输出能力达到2500A，可以短时输出3000A。随后ABB公司对STR-2500RG大功率柜结构进行改进：将电容从风道上已到了盘柜侧面，减少了电容因为高温损坏的可能；取消了小风机，是一个彻头彻尾的自冷大功率柜。该环形重力热管功率经过ABB专家的改进，再配上了ABB的UNITROL5000或UNITROL6000控制系统，就成为ABB励磁公司的首款大型热管励磁系统，如下图所示。 深入浅出话励磁热管功率柜
 葛洲坝电厂热管功率柜选型论证，经历了激烈的技术讨论，提高了我们的认识：热管功率柜涉及两个技术问题，第一是采用何种热管将可控硅的热量传递到散热器，第二是采用何种冷却技术将柜内的热量排到柜外。
葛洲坝电厂热管功率柜的讨论结论是，STR-1600RG环形重力热管功率柜存在结构问题，需要改进；建议葛洲坝电厂采用GDR-1200直形热管功率柜；三峡地下电站采用STR-2500RG环形热管功率柜。
STR-2500RG环形热管功率柜按照直形热管功率柜经验，增大进出通风口，并且将6个直形热管散热器上下布置结构改为水平布置，减少下层散热器对上层散热器的影响，提高了热管功率柜的输出水平。
三、我对葛洲坝电厂两种热管功率柜的认识
1、直形与环形热管原理
无论是一根密封抽真空的长管，还是一个密封抽真空的环形管，在里面注入少量液体（乙醇等），能够把加热端的热量通过液体汽化传递到冷却端，这根金属管就成了热管，如下图所示。在热管下端加热，液体沸腾后产生汽体（蒸发），汽体迅速上升并将热量传导到上端后又变成液体（冷凝），液体依靠重力回到热管下端，如此反复循环，这就是重力热管的原理。
深入浅出话励磁热管功率柜

能事达励磁功率柜采用的热管，无论是小功率柜采用的直管，还是大功率柜采用环管，原理上都属于重力热管。只要热管密封好，液体沸点合适，就能够将可控硅运行产生的温度迅速传导到整个散热器，再利用功率柜产生的自然通风将其排出。所以，热管功率柜涉及两个技术问题，第一是采用何种热管将可控硅的热量传递到散热器，第二是采用何种冷却技术将柜内的热量排到柜外。
2、直形与环形热管散热器结构比较
在直形热管下端装配可控硅，上端装配铝散热器，这就构成了可控硅直形重力热管散热器组件。在环形热管下端装配可控硅，上下端都装配铝散热器，这就构成了可控硅环形重力热管散热器组件。如下图所示。
深入浅出话励磁热管功率柜
深入浅出话励磁热管功率柜
按照热管原理分析，直形重力热管散热器，蒸发段与冷凝段界限明确，是典型重力热管散热器，散热方式只能依赖热管散热。而环形热管散热器，蒸发段和冷凝段界限不明确，是非典型重力热管散热器，以热管散热方式为主，以铝散热器散热方式为辅。
直形热管散热器优缺点：体积小，热管封装和可控硅压接简单可靠，工艺成熟，生产成本较低。但是散热方式安全依赖热管，一旦热管失效必定损害可控硅。另外，直形热管散热器热容量小、水平尺寸限制了励磁功率柜输出容量。
环形热管散热器优缺点：体积大，热管封装和可控硅压接复杂，工艺复杂，生产成本较高。但是散热方式有两种，正常情况下热管失效不一定损害可控硅。另外，散热器热容量大、上下尺寸可以组装大型励磁功率柜。

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