国电南瑞科技股份有限公司电控分公司 李 洁 万 泉

热管散热功率整流装置的结构设计探讨

国电南瑞科技股份有限公司电控分公司 李 洁 万 泉

根据励磁整流装置的设计要求，制定了一种热管散热整流装置的结构设计方案。在电器件选型，散热，绝缘，模块化设计等方面进行设计探讨和研究，实现了自冷散热单柜出力1600A。试验柜的运行数据表明了该设计方案效果可靠稳定，值得进一步研究和推广。

模块化设计；整流装置；热管散热；结构设计

引言

目前，大功率可控硅整流装置一般采用铝散热器或铜散热器，通过强迫风冷的方式对功率器件进行散热。此种散热方式需要配备高速风机，并要在功率器件和散热器的外围构建一个密闭的风道以提高风速和风压。在长期的工程运行和维护中，我们发现这样的结构形式仍然存在某些硬伤。密闭的风道结构不利于功率器件的检测、维护和更换；且运行中粉尘被高速的风带入风道内，堆积在散热器上，影响散热性能，带电粉尘还会降低绝缘效果；而由于散热完全依赖风机，风机在长期旋转中一旦出现任何故障，该整流装置就基本退出运行，设备的可靠性大大降低。风机运行时的巨大噪音也常常为人诟病。因此，无风机自然散热技术越来越得到工程技术人员的重视。

热管散热器在自然风冷的条件下，热阻最小可达到0.04℃/W。实现了自然条件下的高效散热，能够保证功率器件在远低于其极限“结温”状态下长期稳定运行。热管散热技术的可控硅整流装置具有结构简单、稳定可靠、高效低噪的优点，有着广阔的市场前景。

1 设计要求

对于中型水轮发电机组机组，设计要求单柜常规自冷散热情况下输出电流≥1000A。另外，研究热管散热整流装置的结构设计，通过合理的器件布置达到最优的散热效果，增强单柜可靠性，模块化设计增强易维护性。

1.1 实现自冷散热单柜出力1000A的关键因素

作为自并励励磁系统中重要组成部件之一的晶闸管整流装置，其单柜输出电流能力的大小决定了发电机励磁系统整体性能和配置方案的设计。热管散热整流装置的基本试验目标为实现单柜自冷散热出力1000A，需综合考虑三个因素：

1．1．1 散热器热阻

散热器的热阻由散热器材质和流过散热器的风速决定，普通铝（铜）实体散热器在进口风速为6m/s条件下的热阻一般为0.03℃/W，而热管、水冷的热阻在相同条件下仅为0.01℃/W；自然风冷的条件下，热阻最小也可达到0.04℃/W，散热效果明显提高，从而提高整流柜的输出能力。热管内的纵向热传导是靠蒸汽来完成的，适当的内部结构可提供足够的蒸汽压力，加之水的蒸发比热很大，因此在传输很大的热流时，两端并不产生很大的温降，在传热原理上与金属的热传导有着本质的不同。在某些应用范围内热管可以看成是一种最佳组合的工程结构，它相当于导热率大大超过任何已知金属的一种物体。

1．1．2 风速

由第一点可见，风速直接影响散热器的热阻，而风速主要由风机的风量出力决定，为了保证热阻效率小，普通铝（铜）实体散热器需要所选风机在进风口的风速达到6m/s。热管散热器采用自冷模式，通过将热量平均分布于散热表面，传热至散热表面空气带走热量。通过合理设计散热器四周腔体形成烟囱效应加速热空气换流，其自冷换流平均风速可达到0.5m/s。

1．1．3 风阻

由第二点可知，风压是风速的主要影响因素，在风量不变的情况下，风压与风阻成正比关系，即风阻增大，风压上升。风道结构则是影响风阻的最主要因素。合理的自冷散热风道应是增加进出口面积，减少风路非散热器件引起的风阻，以加强散热效果。

1.2 模块化、维护便利性设计

整流柜的结构便利性设计主要考虑以下三方面：

1．2．1 主回路

电力行业标准《DL／T583 2006大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件》［1］中提出，励磁系统中的整流装置若单柜故障，将其退出后系统仍能正常运行。因此，在结构设计时需考虑用最简单的方法将故障整流装置完全脱离励磁系统，且便于检修和维护，如快熔更换、阻容吸收回路维护等；

1．2．2 智能控制

智能控制模块的电气功能是测量各元件的电流、风机检测、温度检测、对外接口及实时录波等。在结构上考虑强、弱分离，且方便检测。

1.3 绝缘设计

由于热管散热整流装置主回路的电压较高、电流较大，而机柜尺寸又受到限制，器件排布较为紧凑，因此必须在绝缘设计方面予以充分考虑。

2 设计方案及结构实现

2.1 单柜出励1600A的实现

试验样柜选用一款型号为RDN1430的散热器，并在其四周增加了一层PC挡板，主要作用是提高单位面积的出风量以及绝缘。自然冷却的条件下，其热阻为0.075℃/W，已能够实现单柜出励1600A，达到既定的试验目标。

2．1．1 器件优化选型

对器件进行优化选型，在保证出力能力的前提下，在有限的空间里优选散热特性好的器件及辅助散热器。1）可控硅整流器件优选：计算各适用型号可控硅通态、开通及关断功耗，优选总功耗容量低的可控硅器件；2）热管散热器的优选：选择风阻小，单位体积散热面积大的热管散热器。3）阻容吸收器件优选：可控硅在整流过程中产生换相过电压能量需依靠阻容器件进行抑制吸收，在此过程中阻容吸收器件消耗过压能量发热，阻容吸收器的选型需在过压抑 制效果与自身发热寻求平衡点。

2．1．2 隔离发热器件、形成烟囱效应

用PC挡板构建一个四面封闭的中空腔体，以形成烟囱效应。并将阻容、快熔等发热源与风路隔离开，防止热空气涡流影响散热效果。如图1所示。

当散热器与空气换热后，升温的空气密度变低自然上升将热量带走，自冷散热迫切需要解决的问题是加强空气的换热量。烟囱效应使腔体内空气沿着有垂直坡度的空间向上升或下降，造成空气加强对流的现象，最终增加空气的换热量。热管自冷散热整流装置在热管四周形成密闭垂直的烟囱效应风道，加强热管水平截面的风速流量，散热腔体平均风速由0.3m/s提升至0.5m/s。

图1 自冷散热风路示意图

2.2 模块化、维护便利性的实现

热管散热实验样柜采用模块化的设计思路，解决了产品品种、规格与设计制造周期、成本之间的矛盾，为生产和维护提供了便利。自冷散热技术应用，在保证1000A出力的前提下极大减少了柜内空气流量，使得柜内不易积灰，大幅减轻用户维护工作量。

2．2．1 模块化

柜体尺寸定为1000×1000×2260（宽×深×高，单位：mm）。首先将机柜内部划分为六个部分，分别是智能控制组件、阻容组件、散热器功率组件、刀闸组件、连接母线区和汇流母线区，如图2所示。

图2 机柜内部结构划分

模块化的设计思路即是对柜内器件按电气原理和功能关系进行分类和归整，使相关功能模块在结构上自成一体，可单独进行生产、检测、拆卸和维护。热管整流装置分成了以下四大模块：智能控制组件（图3）、阻容组件（图4）、散热器功率组件（图5）、刀闸组件（图6），这四大组件采用各自独立的结构形式，在柜内完成组合。各组件均可单独进行生产、检测、拆卸和维护。

图3 智能控制组件

图4 阻容组件

图5 散热器功率组件

图6 刀闸组件

2．2．2 自冷散热的结构实现

在热管散热整理装置的设计实验中，采用化整为零的风道腔体设计，以透明PC板构建的腔体整体上呈四周密闭的样式，结构上是由多个平板拼接而成，无需拆卸任何器件就可轻易抽出和拆除。相比强迫风冷整流装置的固定式风道，具有轻巧灵活，维护便利的优点。

2．2．3 智能控制、检测等便利

智能控制盒及继电器等固定于钣金折弯加工的安装盒里，这个组件可称为智能控制模块，它位于功率模块的上方，如图1所示，它可以方便地完成数据检测等操作，并为整流装置的安全稳定运行提供了支撑。

2.3 绝缘设计考虑

散热器安装架采用80mm×60mm的环氧柱构成，3240环氧材料在中温下机械性能高，在高湿下电气性能稳定，耐热等级F级（155度），因此选用环氧材料作为散热器支撑和固定件，不仅能满足电气绝缘要求，还能可靠的固定散热器。散热器功率组件四周的PC挡板具有高透光率、高抗冲击韧性以及高机械强度，良好的电气绝缘性、非常好的尺寸稳定性以及耐热不变形能力，常用于开关柜电器防护罩、采光罩等。此处的主要作用是提高单位面积的出风量以及绝缘。

3 总结

本文针对热管散热励磁整流装置的要求， 提出了一整套结构设计实施方案。整体布局合理，既满足了散热和电气方面的要求，又实现了结构设计的模块化。对于用户来说大幅减轻了对励磁整流装置的维护工作，也可以增强励磁整流装置运行的可靠性。计算机仿真数据和现场试验的运行情况表明，该整流装置的结构设计合理可行，满足投入生产和进一步研发的条件。

[1]电力行业标准．DL／T583 2006大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件[S]．

李洁，女，工学学士，助工，主要从事电力电子设备结构设计工作。

Structure Design of Power Rectifier Cabinet with Heat Pipe Cooling

Li jie Wan quan
(NARI technology Co, LTD in Nanjing, Jiangsu 211106)

A structure design scheme is put forward for the heat pipe cooling type rectifier cabinet based on the requirement for excitation rectifying equipment. Research is carried out on the selection of rectifier element, heat dissipation, insulation and modular design, which achieved a single cabinet output of 1600A with self-cooling. The operation data of the trial cabinet showed the stability and reliability of the design. The structure design scheme can be put to wide use and further study.

modular design; rectifier; heat pipe; structure design