CN206650968U - 一种用于特高压直流输电换流阀的冷却系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于特高压直流输电换流阀的冷却系统，特高压直流输电换流阀包括：由晶闸管换流阀模块13串联组成的换流阀18；直流输电冷却系统包括：一次冷却系统和二次冷却系统；一次冷却系统包括：冷凝器8及其所设的换热组件；二次冷却系统包括：二次冷却介质回流管14、二次冷却装置15、循环泵16及二次冷却介质出口管17。本实用新型提供的冷却系统维护方便，经济性好，相变冷却系统中的相变冷却介质循环动力由晶闸管和阻尼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。

Description

一种用于特高压直流输电换流阀的冷却系统

技术领域

本实用新型涉及特高压直流输电换流阀领域，具体讲涉及一种用于特高压直流输电换流阀的冷却系统。

背景技术

随着高压直流输电技术的发展，特高压直流输电换流阀的冷却方式经历由空冷、油冷到现在的水冷却方式，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，在相同冷却条件下，采用水冷循环晶闸管的额定电流可以大大提高。然而近几年，随着我国特高压直流输电的快速发展，电流由5000A提升到6250A，电压等级由±800kV提升到±1100kV，导致特高压直流输电核心装备换流阀损耗大幅提升，元器件功率密度相应增加，给晶闸管、饱和电抗器及阻尼电阻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、电腐蚀结垢以及泄漏导致的绝缘失效等一系列问题，不能更好的满足大容量直流输电工程的需求，一种多气候条件运行特高压直流输电换流阀及其冷却系统创造性的将相变冷却系统(一次冷却系统)及二次冷却系统相结合，一次冷却系统利用冷却介质相变进行换热，在单位体积、单位温差下，理论上相变传热量是水冷却的 25倍，具有换热效率更高、体积更小，无需外部动力即可形成冷却回路等特点，进而二次冷却系统通过二次冷却水与冷凝器间接换热带走热量。

相变冷却技术现有研究侧重于发电机、功率电子管和GTO逆变器等技术领域，几乎没有对特高压直流输电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起来运用的相关研究，相变冷却介质的选择是相变冷却技术的关键，需要深入研究相变冷却介质的热流特性、电绝缘性、材料腐蚀性及环境友好性等。

因此，需要提供一种技术方案来提升晶闸管的额定电流，满足日益增大输电容量的使用需求。

实用新型内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本实用新型提出了如下技术方案：一种用于特高压直流输电换流阀的冷却系统，特高压直流输电换流阀包括：由晶闸管换流阀模块13串联组成的换流阀18；

直流输电冷却系统包括：一次冷却系统和二次冷却系统；

一次冷却系统包括：冷凝器8及与冷凝器8相连的换热组件；

二次冷却系统包括：二次冷却介质回流管14、二次冷却装置15、循环泵16 及二次冷却介质出口管17。

二次冷却装置15与冷凝器8间的二次冷却介质回流管14处设有循环泵16；

二次冷却装置15的二次冷却介质的出口管17与冷凝器8的冷却介质入口相连。

换流阀模块13包括换流阀组件；换流阀组件包括：晶闸管1、设于所述晶闸管1的两侧的散热器2、设于散热器2两侧的晶闸管压装装置12，设于散热器 2的表面或内部的阻尼电阻3及饱和电抗器4；

散热器2的两端设有进口和出口。

晶闸管1与散热器2间的触面涂有高效导热材料。

换热组件包括：冷却介质出口支管5、冷却介质出口汇流管6、冷却介质主出口管7、冷却介质主进口管9、进口汇流管10和进口支管11；

冷却介质从所述散热器2的出口排出后，经出口支管5、出口汇流管6、主出口管7进入所述冷凝器8。

二次冷却介质为水、水加乙二醇、或水加纳米流体。

散热器2的材质按质量百分比计的下述组份制得：

硅2～6％、铁1～3％、铜5～8％、钛1～1.5％、锌2-5％、铬 0.1-0.5％、铈0.1～0.2％；余量为铝及含量≤1％的杂质。

晶闸管1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16包括：设于泵壳163内的泵芯161及，设于泵壳163的顶端泵阀162，泵壳163的顶端设有用于释放循环泵内空气的气阀164。

循环泵16还包括：控制器和传感器，传感器位于循环泵内，与控制器电连接；

气阀164与控制器电连接，控制器能够控制气阀164开合放气。

气阀164外接橡皮管，实现手动开合，进行放气。

散热器2还设有监控记录换流阀温度的温度传感器。

与最接近的现有技术比，本实用新型具有如下有益效果：

1、本实用新型创造性的将相变冷却系统(一次冷却系统)及二次冷却系统相结合，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，相变冷却介质不与二次冷却水直接接触，能有效保证一次冷却系统运行的可靠性；

2、本实用新型的冷却效率高，相变冷却系统(一次冷却系统)利用冷却介质相变过程中的汽化潜热，热交换效率高，能有效保证晶闸管、阻尼电阻及饱和电抗器等关键元器件温升低及温度均匀，无局部过热点；由于相变冷却介质在冷凝器内冷凝放热，使得二次冷却介质与冷凝器间接换热效率高；

3、本实用新型的损耗小、运行效率高，通过冷却介质相变传热，减少了冷却过程中去离子树脂等材料的消耗；

4、本实用新型的设备运行安全，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；

5、本实用新型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晶闸管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是本实用新型的冷却系统示意图；

图2是本实用新型的换流阀组件示意图；

图3是本实用新型的相变冷却系统阻尼电阻安装示意图；

图4是本实用新型的循环泵结构示意图；

其中：1-晶闸管、2-散热器、3-阻尼电阻、4-饱和电抗器、5-出口支管、6、出口汇流管、7-主出口管、8-冷凝器、9-主进口管、10-进口汇流管、11-进口支管、 12-晶闸管压装装置、13-换流阀模块、14-二次冷却水回流管、15-二次冷却装置、 16-循环泵、17-二次冷却介质出口管、18-换流阀、161-泵芯、162-泵阀、163-泵壳、164-气阀。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的作进一步详细的描述。

如图1所示，本实用新型提供的特高压直流输电换流阀的直流输电冷却系统由特高压直流输电换流阀、相变冷却系统(一次冷却系统)及二次冷却系统组成；

特高压直流输电换流阀：由晶闸管1、散热器2、阻尼电阻3、饱和电抗器4 及晶闸管压装装置12构成的换流阀组件，两个换流阀组件构成一个阀模块13，四个阀模块构成的二重换流阀18；

其中，晶闸管1由两块散热器2左右压紧，晶闸管1与散热器2相接触面间涂有高效导热材料，九级晶闸管1及散热器2串联，并由晶闸管压装装置11压紧，阻尼电阻3布置在散热器2的表面或插入散热器2内部；

如图2所示的阻尼电阻3为圆柱体或长方体结构，阻尼电阻3是贴在散热器 2的表面或插入散热器2的内部，阻尼电阻3通过散热器2内部冷却介质的相变来进行间接冷却；

散热器2用于冷却晶闸管1、阻尼电阻3、直流均压电阻及取能电阻等发热元件，散热器2的材质为铝合金6060T6(或6063T6)，其内部有流道结构，散热器2与晶闸管1接触面中心位置存在定位孔，散热器2有一个进口及一个出口，进口位于散热器2的下方，出口位于散热器2的上方。

相变冷却系统(一次冷却系统)：由出口支管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组成；

其中，冷凝器8布置在换流阀18的上方，冷凝器8通过主出口管7及主进口管9与换流阀组件13组成相变冷却介质流通回路；

散热器2的出口通过出口支管5、出口汇流管6及主出口管7与冷凝器8的进口连接；散热器进口通过主进口管9、进口汇流管10及进口支管11与冷凝器 8连接；

冷凝器8布置在换流阀18上方，冷凝器8的进口位于冷凝器左上方及右上方，冷凝器8的出口位于冷凝器底部，冷凝器8内部有高温气液混合物冷凝所需的管路结构；冷凝器8具有容积可变的稳压功能，冷凝器8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8的顶部设有排气阀。

二次冷却系统：由二次冷却水回流管14、二次冷却装置15、循环泵16及二次冷却介质出口管17组成；

二次冷却装置15位于换流阀18所在阀厅的外部，二次冷却装置15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18通过二次冷却介质出口管17、循环泵16及二次冷却水回流管14与冷凝器8连接。

特高压直流输电换流阀中液体流动过程：晶闸管1、阻尼电阻3及饱和电抗器4不发热时，由于在散热器2内充满了冷却介质，此时散热器2内的压力保持恒定；当晶闸管1、阻尼电阻3及饱和电抗器4产生热负载时，在散热器2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8内冷凝成液体，当晶闸管1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8经过主进口管9及进口汇流管10充满散热器2及饱和电抗器4，能及时消除散热器2及饱和电抗器4内的气态冷却介质，因此在相变冷却系统中，由于冷凝器8具有压力调节能力，不管有无热负载，都可以保证冷却介质在恒定压力下相变冷却。

二次冷却系统中液体流动过程：冷凝器8中的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水回水管 14流动，由循环泵16加压后进入二次冷却装置18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介质出口管17进入到冷凝器8中，形成二次冷却系统回路。

本实用新型中换流阀组件由九级晶闸管1串联为实施案例，由晶闸管1数量调整导致的结构变化，也在本实用新型的范围之内；其中二重换流阀18由四个阀模块组成，阀模块由两个换流阀组件13构成为实施案例，根据换流阀承受电压等级变化导致的阀模块数量变化，也在本实用新型范围之内；其中二次冷却介质采用水也是实施案例，也可以采用水+乙二醇或者水+纳米流体等冷却介质。

散热器2的材质按质量百分比计的下述组份制得：

硅2～6％、铁1～3％、铜5～8％、钛1～1.5％、锌2-5％、铬 0.1-0.5％、铈0.1～0.2％；余量为铝及含量≤1％的杂质，

由上述材质制得的散热器的表面冷隔、裂纹减少，延伸率好，提高伸长率和冲击韧性。

晶闸管1与散热器2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4所示的循环泵，包括：泵芯161、泵阀162和泵壳163，泵芯161位于泵壳163内，泵阀162位于泵壳163顶端，穿过泵壳163与泵芯161连接，泵壳163顶端设有用于释放循环泵内空气的气阀164。

循环泵还包括控制器和传感器，所述传感器位于循环泵内，与控制器电连接；气阀164与控制器电连接，控制器能够控制气阀164开合放气。气阀164外接有橡皮管，能够实现手动开合，进行放气。

循环泵的泵壳163上开设气阀164，实现了循环泵泵体中和管道中残存空气的安全排放，解决了循环泵在工作过程中存在的安全问题，避免了因循环泵中空气未能排净而造成的气缚、充氧等生产问题，提高了生产效率。

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

Claims (9)

1.一种用于特高压直流输电换流阀的冷却系统，其特征在于，所述特高压直流输电换流阀包括：由晶闸管换流阀模块(13)串联组成的换流阀(18)；

所述直流输电冷却系统包括：一次冷却系统和二次冷却系统；

所述一次冷却系统包括：冷凝器(8)及其所设的换热组件；

所述二次冷却系统包括：二次冷却介质回流管(14)、二次冷却装置(15)、循环泵(16)及二次冷却介质出口管(17)。

2.根据权利要求1所述的冷却系统,其特征在于,

所述二次冷却装置(15)与所述冷凝器(8)间的所述二次冷却介质回流管(14)设有所述循环泵(16)；

所述二次冷却装置(15)的二次冷却介质的出口管(17)与所述冷凝器(8)的冷却介质入口相连。

3.根据权利要求1所述的冷却系统,其特征在于,所述换流阀模块(13)包括换流阀组件；

所述换流阀组件包括：晶闸管(1)、设于所述晶闸管(1)的两侧的散热器(2)、设于所述散热器(2)两侧的晶闸管压装装置(12)，设于所述散热器(2)的表面或内部的阻尼电阻(3)及饱和电抗器(4)；

所述散热器(2)的两端设有进口和出口。

4.根据权利要求3所述的冷却系统,其特征在于，冷却所述散热器(2)的换热单元包括：冷却介质出口支管(5)、冷却介质出口汇流管(6)、冷却介质主出口管(7)、冷却介质主进口管(9)、进口汇流管(10)和进口支管(11)；

冷却介质从所述散热器(2)排出后，经所述出口支管(5)、所述出口汇流管(6)、所述主出口管(7)进入所述冷凝器(8)。

5.根据权利要求4所述的冷却系统,其特征在于，所述二次冷却介质为水、水加乙二醇、或水加纳米流体。

6.根据权利要求1所述的冷却系统,其特征在于,所述循环泵(16)包括：

设于泵壳(163)内的泵芯(161)及，设于所述泵壳(163)的顶端泵阀(162)，所述泵壳(163)的顶端设有用于释放循环泵内空气的气阀(164)。

7.根据权利要求6所述的冷却系统，其特征在于，所述循环泵(16)还包括：控制器和传感器，所述传感器位于循环泵内，与控制器电连接；

所述气阀(164)与控制器电连接，所述控制器能够控制气阀(164)开合放气。

8.根据权利要求7所述的冷却系统，其特征在于，所述气阀(164)外接橡皮管，实现手动开合，进行放气。

9.根据权利要求3所述的冷却系统，其特征在于，所述散热器(2)还设有监控记录所述换流阀温度的温度传感器。