CN112652432B - 一种强迫循环冷却的管道式水电阻装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种强迫循环冷却的管道式水电阻装置，属于水电阻领域，包括：高电位电极模块，内部中空的U形管，U形管的两个端口处设置有具有多个通孔的高电位电极板；地电位电极模块，包括两个中空管，各中空管的一端口处设置有具有多个通孔的地电位电极板；水循环模块，包括供水单元和两个绝缘管；绝缘管的两端分别对应连接中空管的一端口和U形管端口，使得两个绝缘管形成并联水电阻；供水单元设置有出水管和进水管，出水管与一中空管的另一端口连接；供水单元以设定流速提供水并在各连通管内循环冷却排出，并经进水管进入供水单元回收。通过供水单元提供流动水强迫循环冷却，极大增加散热，增加水电阻的阻值精确度、稳定性和耐受放电时间。

Description

一种强迫循环冷却的管道式水电阻装置

技术领域

本发明属于水电阻领域，更具体地，涉及一种强迫循环冷却的管道式水电阻装置。

背景技术

随着国际国内核聚变领域、高电压电力传输领域的发展，千伏至兆伏级别的高压电源需求越来越大。涉及到电源及其功率器件的测试对电阻负载要求很高。传统干电阻一般电压等级和阻值固定不可调整，其发热量巨大，通常采用自然散热或风冷散热，散热效果不理想，极大地限制了装置的运行时间。相较而言，水电阻具有更好的散热效果。

然而，现有水电阻有的制成了开放的水箱式结构，这种结构的电阻误差太大，无法精确计算，而且自然散热限制了其运行时间和运行电流。有的现有水电阻制成了带有循环冷却的结构，但是仍然采用水箱作为电阻主体，散热仍然有限，电阻不准确，而且体积大，绝缘要求高。这些水电阻仅适用于电压不高、功率不大的短脉冲电源放电测试。因此，目前迫切需要一种散热良好、阻值精确、绝缘可靠的水电阻装置，来满足百千千伏级别测试和放电的大功率长脉冲试验需求。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种强迫循环冷却的管道式水电阻装置，其目的在于通过供水单元提供流动水强迫循环冷却，极大增加散热，增加水电阻的阻值精确度、稳定性和耐受放电时间。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种强迫循环冷却的管道式水电阻装置，包括：高电位电极模块，内部中空的U形管，所述U形管的两个端口处设置有高电位电极板，所述高电位电极板中设置有多个通孔；地电位电极模块，包括两个中空管，各所述中空管的一端口处设置有地电位电极板，所述地电位电极板中设置有多个通孔；水循环模块，包括供水单元和两个绝缘管；所述中空管、绝缘管和U形管端口一一对应连接，且所述绝缘管的两端分别连接所述中空管的一端口和所述U形管端口，使得所述两个绝缘管形成并联水电阻；所述供水单元设置有出水管和进水管，所述出水管与一所述中空管的另一端口连接；所述供水单元以设定流速提供水，并依次经所述出水管、一所述中空管、连接一所述中空管的绝缘管、U形管、连接另一所述中空管的绝缘管和另一所述中空管后流出，流出的水经所述进水管进入所述供水单元。

更进一步地，还包括泄压模块，连接所述高电位电极模块，用于在所述U形管内的压力高于压力阈值时对所述U形管、中空管和绝缘管进行泄压。

更进一步地，所述泄压模块包括进气阀、泄压机构和出气阀；所述泄压机构为侧面设置有垂直双孔的圆柱空腔且水平放置，且所述双孔分别与所述进气阀和出气阀的一端连通；所述进气阀的另一端连通所述U形管，所述出气阀与所述U形管之间的高度差不低于20cm。

更进一步地，还包括检测模块和控制模块；所述检测模块包括压力传感器、电流传感器和温度传感器，分别用于检测出水压力、流过水电阻的电流和水电阻温度；当所述出水压力、流过水电阻的电流和水电阻温度中的任一项超过其对应的阈值时，所述控制模块用于控制所述供水单元停止供水。

更进一步地，所述供水单元包括水泵和蓄水池；运行过程中，当所述水电阻温度变化时，所述控制模块还用于调整所述水泵的设定转速，并将所述设定转速与水泵的实际转速相减后，通过PID运算控制所述水泵的转速直至所述温度达到设定值。

更进一步地，所述进水管与所述蓄水池连通，经另一所述中空管后流出的水进入所述蓄水池中，所述蓄水池的蓄水量V_w满足：

V_w≥2V_pump*S*t

其中，V_pump为所述水泵提供的水的流速，S为所述出水管的横截面积，t为工作时间。

更进一步地，所述高电位电极模块位于高压绝缘平台上，所述地电位电极模块位于地电位上。

更进一步地，所述高电位电极板与U形管之间通过螺栓连接；所述绝缘管包裹所述高电位电极板和地电位电极板，且包裹面处设置有密封橡胶圈，包裹处外部设置有箍缩铁圈。

更进一步地，所述高电位电极模块还包括高电位电极接线柱，所述地电位电极模块还包括地电位电极接线柱；所述高电位电极板和地电位电极板边缘处为阶梯凹陷结构，以分别与所述高电位电极接线柱和地电位电极接线柱螺栓连接。

更进一步地，所述高电位电极模块和地电位电极模块的材料为不锈钢，所述绝缘管的材料为橡胶，所述供水单元提供的水为自来水或添加有电解质的自来水。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)两端软管并联作为水电阻主体，通过供水单元提供流动水强迫循环冷却，极大增加散热，增加水电阻的阻值精确度、稳定性和耐受放电时间；该强迫循环冷却的管道式水电阻装置以其可调性、安全可靠性、自动化程度高、耐高压、散热效果好、阻值精度高、成本低等优点，适用于各种大功率脉冲技术领域，尤其是长脉冲高压装置的测试和运行；

(2)泄压模块的泄压阀处于高电位电极模块上，使混入水电阻或者产生的气体自动上升到泄压阀中，放气同时又不会使液体溢出，增大了阻值精确度和实验安全性；

(3)通过检测温度、压力、电流、电压并反馈至控制器，以控制水泵和报警装置，节省人力成本的同时增加了装置的安全可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的强迫循环冷却的管道式水电阻装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的强迫循环冷却的管道式水电阻装置的运行流程图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

1为高电位电极模块，11为高电位电极接线柱，12为高电位电极，13为第一高电位电极板，14为第二高电位电极板，2为地电位电极模块，21为地电位电极接线柱，22为地电位电极，23为第一地电位电极板，24为第二地电位电极板，3为水循环模块，31为水泵，311为出水管，312为进水管，313为水泵保护壳，32为蓄水池，33为第一绝缘管，34为第二绝缘管，4为泄压模块，41为进气阀，42为泄压机构，43为出气阀，5为检测模块，51为压力传感器，52为电流传感器，53为温度传感器，54为流量传感器，6为控制模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

图1为本发明实施例提供的强迫循环冷却的管道式水电阻装置的结构示意图。参阅图1，结合图2，对本实施例中强迫循环冷却的管道式水电阻装置进行详细说明。

强迫循环冷却的管道式水电阻装置包括高电位电极模块1、地电位电极模块2和水循环模块3。高电位电极模块1为内部中空的U形管，U形管的两个端口处设置有高电位电极板，分别为第一高电位电极板13和第二高电位电极板14，这两个高电位电极板中均设置有多个通孔。地电位电极模块2包括两个中空管，各中空管的一端口处设置有地电位电极板，分别为第一地电位电极板23和第二地电位电极板24，这两个地电位电极板中均设置有多个通孔。本实施例中，电极板中设置的通孔用于排气，方便水电阻工作过程中产生或者混入的气体尽快排出，有利于保持阻值的稳定和精确。各电极板中通孔的半径例如不小于5mm，各电极板中通孔的数量例如不少于5个。

水循环模块3包括供水单元和两个绝缘管，这两个绝缘管分别为第一绝缘管33和第二绝缘管34。中空管、绝缘管和U形管端口一一对应连接，且绝缘管的两端分别连接中空管的一端口和U形管端口，使得这两个绝缘管形成并联水电阻。供水单元设置有出水管311和进水管312，出水管311与一中空管的另一端口连接。具体地，高电位电极模块1中设置有第一高电位电极板13的端口依次连接第一绝缘管33和设置有第一地电位电极板23的中空管，高电位电机模块1中设置有第二高电位电极板14的端口依次连接第二绝缘管34、设置有第二地电位电极板24的中空管和出水管311。供水单元以设定流速提供水，并依次经出水管311、设置有第二地电位电极板24的中空管、第二绝缘管34、U形管、第一绝缘管33和设置有第一地电位电极板23的中空管后流出，流出的水经进水管312进入供水单元以完成循环。

高电位电极模块1中的U形管即为高电位电极12；第一高电位电极板13和第二高电位电极板14通过螺栓连接至高电位电极12，且中间填充有导电软垫片，以加强电气连接效果；其中一高电位电极板与高电位电极接线柱11连接，以接入高电压。地电位电极模块2例如还包括连接两个中空管的地电位电极22；第一地电位电极板23和第二地电位电极板24通过螺栓连接至地电位电极22，且中间填充有导电软垫片，以加强电气连接效果；其中一地电位电极板与地电位电极接线柱12连接，以接入地电压。与接线柱连接的高电位电极板和地电位电极板边缘处为阶梯凹陷结构，以分别与高电位电极接线柱11和地电位电极接线柱12螺栓连接。第一绝缘管33的两端分别包裹第一高电位电极板13和第一地电位电极板23，第二绝缘管34的两端分别包裹第二高电位电极板14和第二地电位电极板24，且包裹面处设置有密封橡胶圈，包裹处外部设置有箍缩铁圈。

供水单元包括水泵31和蓄水池32。进一步地，还可以设置水泵保护壳313以对水泵31进行保护。强迫循环冷却的管道式水电阻装置还包括泄压模块4，泄压模块4连接高电位电极模块1，用于在U形管内的压力高于压力阈值时对U形管、中空管和绝缘管进行泄压。在实验中，电极板会电解水产生气泡，同时水泵31会把部分气体带入水电阻中，气体的引入会导致水电阻阻值增加电流降低发热降低，从而影响水电阻阻值精度，因此在装置最高处设置泄压模块4，当气体通过各电极板上的通孔上升到最高点处的泄压模块4之后，当泄压模块4达到一定容量打开放气后关闭，从而实时把气体引入到泄压模块4中排出，提高水电阻的精度和实验效果。

泄压模块4包括进气阀41、泄压机构42和出气阀43。泄压机构42为侧面设置有垂直双孔的圆柱空腔且水平放置，采用不锈钢材质，双孔分别与进气阀41和出气阀43的一端连通，且上孔与出气阀43连通。进气阀41的另一端连通U形管，出气阀43的最顶端为出气口，出气阀43与U形管之间的高度差不低于20cm，通过液柱高度压力避免水从出气口溢出。

强迫循环冷却的管道式水电阻装置还包括检测模块5和控制模块6。检测模块5包括压力传感器51、电流传感器52和温度传感器53，分别用于检测出水压力、流过水电阻的电流和水电阻温度；当检测到的出水压力、流过水电阻的电流和水电阻温度中的任一项超过其对应的阈值时，控制模块6用于控制所述供水单元停止供水。进一步的，还可以包括流量传感器54，用于检测水电阻中的水流量。压力传感器51例如设置在水泵31的出水口，方便测出装置最大水压以触发保护，其余传感器例如安装在第一绝缘管33的出水口。

控制模块6例如采用市电供电，并做电磁屏蔽和绝缘隔离，保证控制模块6自动稳定运行。此外，还可以在控制模块6外部设置报警声和报警灯，当检测到的出水压力、流过水电阻的电流和水电阻温度中的任一项超过其对应的阈值时，报警装置工作同时控制水泵31停止工作，由于高电位电极模块1处于高出，水泵31停止后高电位与地电位变为空气隔离，电流降为零，保证人员和装置安全。

高电位电极模块1位于高压绝缘平台上，具体地，安装在绝缘平台的高处，方便绝缘和泄压。地电位电极模块2、水循环模块3、泄压模块4、检测模块5和控制模块6部分安装在地电位处，由此实现高电压隔离同时节省隔离成本，对操作人员和器件更加安全，高低位置通过绝缘管连接。

高电位电极模块1和地电位电极模块2的材料为不锈钢；绝缘管的材料为不导电橡胶材料，从而形成绝缘软管作为水电阻的主体；供水单元提供的水为自来水或添加有电解质的自来水。水泵31为大功率水泵；蓄水池32的容量例如不低于4m³。两段绝缘软管作为水循环通路的主体和水电阻主体，这样大大提高了散热效率，提高了可实验功率等级同时节省了成本和体积；此外，这种水电阻结构方便计算电阻，通过水管截面积、长度大小改变电阻，又方便水泵快速循环水散热，这种方式散热效率最高。同时通过在自来水中加入不同的电解质改变水的电导率。

绝缘软管作为水电阻的主体，其尺寸直接决定了阻值、耐压、水泵流速，因此非常重要，需要在实验开始之前确定并正确安装。两段绝缘软管采用等长设计，每段绝缘软管的长度为：

其中，L_sg为每段绝缘软管的长度；U为试验电压；I为实验电流；S为软管截面积；ρ_R为电阻液电阻率。为满足隔离条件，每段绝缘软管的长度一般不小于50cm。

水泵流速作为水电阻散热重要条件，其计算公式为：

其中V_pump为水泵流速；c为电阻液比热容；ΔT为限制温升。实际受水泵限制，水泵流速一般不大于5m/s，因此当计算出流速过大或者运行中反馈控制需要的流速过大，实验会停止运行。

本实施例中，进水管312与蓄水池32连通，经另一中空管后流出的水进入蓄水池32中。蓄水池32为整个水电阻提供温度稳定的水，因此蓄水池32的储水量很重要，蓄水池32的蓄水量V_w满足：

V_w≥2V_pump*S*t

其中，V_pump为水泵31提供的水的流速，S为出水管311的横截面积，t为工作时间。整个储水池为了满足不同的电压和功率等级实验，其容量通常不小于200立方米。

参阅图2，强迫循环冷却的管道式水电阻装置的控制过程为：通过电源设定的电压U和电流I计算出水体阻值、水管长度、水泵流速等参数，连接好装置之后，运行开始，水泵31先开启循环，检测流速稳定后，开始检测温度和压力是否超过上限，上限根据水管和接口耐受压力、水电阻最大温升确定。超过上限中止运行水泵31并报警；不高于上限会切换开关在高电位施加电压。运行过程中，随着运行温度变化，当水电阻温度变化时，控制模块6调整水泵31的设定转速，并将设定转速与水泵31的实际转速相减后，通过PID运算控制水泵31的转速直至温度达到设定值。具体的，如果运行过程中温度上升，控制模块6输出更高的水泵参考转速，经过与水泵实际转速反馈做差，通过PID运算控制水泵提高转速直到温度降低到设定值；如果水温过低反向操作。运行时间未结束则循环检测控制，否则结束运行，断路器断开同时停止水泵31。

本实施例中，利用软管作为水电阻的主体，通过蓄水池保证循环水的温度恒定，通过采集水的温度等数据反馈至控制模块控制水泵工作功率，从而达到控制水温恒定、阻值恒定的效果，也保证了其在高电压、大功率、长时间工作条件下散热良好、阻值温度稳定。该强迫循环冷却的管道式水电阻装置结构可靠完善、效果良好稳定，极大地满足了高电压大功率长脉冲设备的放电和测试要求，在显著降低体积和成本的情况下，提高了放电电压、功率等级，提高了电阻精度稳定度，加长了放电时间，具有较好的市场应用前景和应用价值。本发明实施例中的水电阻可以作为保护电阻、负载电阻、连接电阻和放电电阻等类型电阻使用。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种强迫循环冷却的管道式水电阻装置，其特征在于，包括：

高电位电极模块(1)，内部中空的U形管，所述U形管的两个端口处设置有高电位电极板，所述高电位电极板中设置有多个通孔；

地电位电极模块(2)，包括两个中空管，各所述中空管的一端口处设置有地电位电极板，所述地电位电极板中设置有多个通孔；

水循环模块(3)，包括供水单元和两个绝缘管；所述中空管、绝缘管和U形管端口一一对应连接，且所述绝缘管的两端分别连接所述中空管的一端口和所述U形管端口，使得所述两个绝缘管形成并联水电阻；所述供水单元设置有出水管(311)和进水管(312)，所述出水管(311)与一所述中空管的另一端口连接；

所述供水单元以设定流速提供水，并依次经所述出水管(311)、一所述中空管、连接一所述中空管的绝缘管、U形管、连接另一所述中空管的绝缘管和另一所述中空管后流出，流出的水经所述进水管(312)进入所述供水单元。

2.如权利要求1所述的强迫循环冷却的管道式水电阻装置，其特征在于，还包括泄压模块(4)，连接所述高电位电极模块(1)，用于在所述U形管内的压力高于压力阈值时对所述U形管、中空管和绝缘管进行泄压。

3.如权利要求2所述的强迫循环冷却的管道式水电阻装置，其特征在于，所述泄压模块(4)包括进气阀(41)、泄压机构(42)和出气阀(43)；

所述泄压机构(42)为侧面设置有垂直双孔的圆柱空腔且水平放置，且所述双孔分别与所述进气阀(41)和出气阀(43)的一端连通；

所述进气阀(41)的另一端连通所述U形管，所述出气阀(43)与所述U形管之间的高度差不低于20cm。

4.如权利要求1所述的强迫循环冷却的管道式水电阻装置，其特征在于，还包括检测模块(5)和控制模块(6)；

所述检测模块(5)包括压力传感器(51)、电流传感器(52)和温度传感器(53)，分别用于检测出水压力、流过水电阻的电流和水电阻温度；

当所述出水压力、流过水电阻的电流和水电阻温度中的任一项超过其对应的阈值时，所述控制模块(6)用于控制所述供水单元停止供水。

5.如权利要求4所述的强迫循环冷却的管道式水电阻装置，其特征在于，所述供水单元包括水泵(31)和蓄水池(32)；

运行过程中，当所述水电阻温度上升时，所述控制模块(6)还用于调高所述水泵(31)的设定转速，并将所述设定转速与水泵(31)的实际转速相减后，通过PID运算控制所述水泵(31)的转速升高直至所述温度降低至设定值；当所述水电阻温度降低时，所述控制模块(6)还用于调低所述水泵(31)的设定转速，并将所述设定转速与水泵(31)的实际转速相减后，通过PID运算控制所述水泵(31)的转速降低直至所述温度升高至所述设定值。

6.如权利要求5所述的强迫循环冷却的管道式水电阻装置，其特征在于，所述进水管(312)与所述蓄水池(32)连通，经另一所述中空管后流出的水进入所述蓄水池(32)中，所述蓄水池(32)的蓄水量V_w满足：

V_w≥2V_pump*S*t

其中，V_pump为所述水泵(31)提供的水的流速，S为所述出水管(311)的横截面积，t为工作时间。

7.如权利要求1所述的强迫循环冷却的管道式水电阻装置，其特征在于，所述高电位电极模块(1)位于高压绝缘平台上，所述地电位电极模块(2)位于地电位上。

8.如权利要求1所述的强迫循环冷却的管道式水电阻装置，其特征在于，所述高电位电极板与U形管之间通过螺栓连接；所述绝缘管包裹所述高电位电极板和地电位电极板，且包裹面处设置有密封橡胶圈，包裹处外部设置有箍缩铁圈。

9.如权利要求1所述的强迫循环冷却的管道式水电阻装置，其特征在于，所述高电位电极模块(1)还包括高电位电极接线柱(11)，所述地电位电极模块(2)还包括地电位电极接线柱(21)；

所述高电位电极板和地电位电极板边缘处为阶梯凹陷结构，以分别与所述高电位电极接线柱(11)和地电位电极接线柱(21) 螺栓连接。

10.如权利要求1-9任一项所述的强迫循环冷却的管道式水电阻装置，其特征在于，所述高电位电极模块(1)和地电位电极模块(2)的材料为不锈钢，所述绝缘管的材料为橡胶，所述供水单元提供的水为自来水或添加有电解质的自来水。

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