許敬濤，梁永萬(wàn)

（廣州電器科學(xué)研究院，廣東廣州510300）

電解整流器水冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

許敬濤，梁永萬(wàn)

（廣州電器科學(xué)研究院，廣東廣州510300）

介紹了大功率電解整流器功率損耗和冷卻水流量的計(jì)算方法以及冷卻水支路的配置方法等，為整流器水冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

電解整流器；功耗；水冷系統(tǒng)

在大功率電解整流器的設(shè)計(jì)中，散熱是核心問(wèn)題之一。散熱設(shè)計(jì)包括功率器件選型、散熱方式的確定、散熱器件的選型計(jì)算等，其目的是限制整流器內(nèi)部所有元器件尤其是功率器件的溫升，使之在運(yùn)行的工作環(huán)境下不超過(guò)最高允許溫度。

1 整流器冷卻方式

整流器采用的冷卻系統(tǒng)應(yīng)該便于維護(hù)，并能適用于特定的環(huán)境條件，同時(shí)滿(mǎn)足可靠性要求?？諝?、油和水作為常用的3種對(duì)流介質(zhì)，對(duì)流冷卻能力的比率約為1∶10∶100。由于大功率電解整流器的電流較大，與之相應(yīng)的快熔損耗和母排損耗也較大，采用風(fēng)冷方式已不能滿(mǎn)足設(shè)備散熱的要求；介質(zhì)為油的冷卻方式可免除對(duì)冷卻母線(xiàn)的腐蝕，并且油的絕緣性能好、凝固點(diǎn)較低，因而適用于高電壓和低溫環(huán)境，但油的缺點(diǎn)是熱對(duì)流系數(shù)小，維護(hù)較困難；水冷系統(tǒng)具有成本低、易于維護(hù)、環(huán)保、冷卻能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而在大功率整流設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用[2]。

2 整流器功耗計(jì)算

整流器功率損耗包括可控硅損耗、快熔損耗、母排損耗、吸收電路損耗等。

2.1 可控硅損耗計(jì)算

式中：PT為通態(tài)（正向）功率損耗，W（此值可通過(guò)計(jì)算出元件流過(guò)的通態(tài)平均電流后，查相應(yīng)的曲線(xiàn)可得，或者通過(guò)公式PT=VTOITav+I2TrmsrT來(lái)計(jì)算，VTO為通態(tài)門(mén)檻電壓，V；ITav為通態(tài)平均電流，A；ITrms為通態(tài)有效值電流，A；rT為通態(tài)斜率電阻，Ω）；f為頻率，HZ；Won為開(kāi)通損耗（計(jì)算出元件的后，查相應(yīng)的曲線(xiàn)可得），W；Woff為關(guān)斷損耗（計(jì)算出元件的后，查相應(yīng)的曲線(xiàn)可得），W。

2.2 快速熔斷器損耗計(jì)算

式中：ITrms—電流有效值，A；

rR—快速熔斷器熔體冷態(tài)電阻，一般為20℃時(shí)電阻，Ω；

t0—熔體冷態(tài)電阻時(shí)的溫度，℃；

t—熔體運(yùn)行時(shí)的溫度，℃；

a—銀的電阻溫度修正系數(shù)，按0.003 5/℃。

快速熔斷器功率損耗也可通過(guò)計(jì)算算出流過(guò)熔體電流的有效值與額定電流的比值，查相應(yīng)的曲線(xiàn)得功率損耗系數(shù)，再與快速熔斷器額定電流下的損耗相乘，得出在此運(yùn)行電流下的功率損耗。

2.3 母線(xiàn)功率損耗計(jì)算[2]

并聯(lián)元件段和快速熔斷器段母線(xiàn)電流常為階梯分布，該段母線(xiàn)功率損耗近似計(jì)算如下：

式中：IM—并聯(lián)元件總電流的有效值，A；

RM—折算至平均溫度時(shí)的并聯(lián)元件段母線(xiàn)總電阻，Ω；

n—并聯(lián)元件數(shù)，個(gè)。

剩余母線(xiàn)段和其他母線(xiàn)的功率損耗PMN按式（3）計(jì)算，n取1。

2.4 換相過(guò)電壓保護(hù)RC中的電阻損耗

式中：f—頻率，Hz；

C—換相RC回路的電容容值，μF；

URm—元件反向工作峰值電壓，V；

α—相控角，°；

u—換相角，°。

換相角u可從以下關(guān)系式求出：

式中：eX%—整流變壓器額定短路電壓ed%的感抗分量，一般可取eX%=ed%。

2.5 交流側(cè)三相阻容吸收的電阻損耗

在較大直流負(fù)載條件下，整流變壓器閥側(cè)電壓的畸變是不可忽略的，對(duì)于三相阻容吸收的電阻損耗可近似按下式計(jì)算：

式中：Kh——諧波電流作用系數(shù)，推薦數(shù)值見(jiàn)表1；

U2—整流變壓器閥側(cè)相電壓，V；

XCS—阻容吸收每相基波容抗，為電容值，μF，當(dāng)電容器為Δ形接線(xiàn)，需折換成星形接線(xiàn)；

RS—阻容吸收每相電阻值，Ω。

表1 諧波電流作用系數(shù)Kh推薦值

3 冷卻水路設(shè)計(jì)

整流器功率損耗產(chǎn)生的熱量通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射的形式傳遞，其中，大部分的熱量將以冷卻水對(duì)流的形式帶走。根據(jù)熱平衡原則，由冷卻水帶走的熱量：

3.1 計(jì)算整流柜冷卻水流量

整流器冷卻水流量可按下式計(jì)算：

式中：Δt—整流柜冷卻水出口水溫與入口水溫之差，℃，不宜大于5～10℃，或按用戶(hù)要求確定。

3.2 各支路水流量配置

硅母排、硅水包、快熔母排、匯流母排等各部分所需的水流量也可按式（8）來(lái)計(jì)算。單根硅母排所需的水流量計(jì)算如下：

式中：Ptotal—單個(gè)可控硅的總損耗，kW；

PM—母排并聯(lián)元件段的功率損耗，kW；

PMN—除去并聯(lián)元件段，元件母排其余段的功率損耗，kW。

各部分所需的水流量計(jì)算完成后，將進(jìn)行各支路的水流量的分配組合配置。在整流器水冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，確定總支管路數(shù)和各支路的流量十分關(guān)鍵。

一般地，整流器設(shè)有冷卻水進(jìn)水管和出水管，各冷卻水支路分別與此2管相連接。整流器冷卻水管路可看成是并聯(lián)管路系統(tǒng)，根據(jù)并聯(lián)管路計(jì)算原則，總流量等于各支管中流量之和；并聯(lián)各支管上的阻力損失相等。總的阻抗平方根倒數(shù)等于各支管阻抗平方根倒數(shù)之和，如下述表達(dá)式[3]：

式中：Q—并聯(lián)管路總流量，m3/h；

S—并聯(lián)管路總阻抗，h2/m5；

Q1…QN—支管1至支管N的流量，m3/h；

S1…SN—支管1至支管N的阻抗，h2/m5。

配置冷卻水支路時(shí)，可遵循以下原則：分配各支路的水流量盡量一致；對(duì)所需水流量較大的部分可分配2個(gè)或多個(gè)水支路；對(duì)所需水流量較小的部分，可根據(jù)電位相同或接近的情況，將其水路串聯(lián)進(jìn)其他水支路，或多個(gè)所需水流量較小的部分水路串聯(lián)成一水支路，經(jīng)串聯(lián)的水支路的流量為各串聯(lián)部分流量之和；根據(jù)公式（13）來(lái)確定各水支路的長(zhǎng)度。一般地，整流柜中各水支路中都使用同一類(lèi)型的軟管連接，可近似看成各水支路的管徑（即截面積）相同，并近似認(rèn)為各支管的阻抗與其管路長(zhǎng)度成正比。

4 可控硅結(jié)溫檢查及水流量驗(yàn)證

在穩(wěn)態(tài)情況下，可控硅結(jié)溫可按下式計(jì)算：

式中：TW—冷卻水溫度，℃；

Ptotal—單個(gè)可控硅的總損耗，W；

RthJC—可控硅結(jié)—?dú)嶙瑁?W；

ΔRthJC（120°）—在120℃下產(chǎn)生的附加熱阻，℃/W；

RthCH—可控硅表面熱阻，℃/W；

RthHW—母排或水包熱阻，℃/W；

ΔT—母排或水包溫度與冷卻水溫度之差，℃。

冷卻水與母排的溫差越大，則所用的冷卻水量越小。可按設(shè)計(jì)要求確定ΔT值，然后按下面的計(jì)算得出硅母排的最小流量，與式（9）計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。當(dāng)計(jì)算得出的硅母排最小流量小于式（9）計(jì)算值時(shí)，說(shuō)明ΔT小于設(shè)計(jì)要求值，水路設(shè)計(jì)符合要求。當(dāng)硅母排最小流量大于式（9）計(jì)算值時(shí)，需增大冷卻水的總流量，并重新設(shè)計(jì)修改冷卻水支路，增大硅母排的冷卻水流量，達(dá)到最小流量值。

計(jì)算硅母排的最小流量，首先，計(jì)算出需要的傳熱系數(shù)：

式中：A—母排傳熱內(nèi)表面積，m2；A=πdl，d為母排內(nèi)水通道內(nèi)徑，m，l為母排內(nèi)冷卻水通道長(zhǎng)度，m。

再計(jì)算冷卻水流速：

式中：Kst—與水有關(guān)的常數(shù)，見(jiàn)表2；

表2 與水有關(guān)的常數(shù)

Prf—按平均水溫確定的水的勃蘭德?tīng)枩?zhǔn)則數(shù)，見(jiàn)表2[1]；

Prω—按管壁平均溫度確定的水的勃蘭德?tīng)枩?zhǔn)則數(shù)，見(jiàn)表2[1]。

通過(guò)冷卻水流速，可計(jì)算出硅母排的最小流量：

5 對(duì)水質(zhì)的要求

由于自來(lái)水具有一定的導(dǎo)電性能，且對(duì)水冷母線(xiàn)有一定的腐蝕作用，一般采用蒸餾水或去離子水，要求其pH值為7~9，氯化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于20×10-6，固含量不大于25×10-6[1]。

在某個(gè)工程中，由于水質(zhì)受污染造成不銹鋼管路腐蝕。不銹鋼管件受腐蝕通常是由于環(huán)境中存在的氯離子和硫酸根離子，尤其以氯離子最為常見(jiàn)。有研究表明，水中存在5×10-6以上的氯離子即會(huì)引起不銹鋼的點(diǎn)蝕[4]。從現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)表中可知，在使用一段時(shí)間后循環(huán)水中確實(shí)出現(xiàn)了氯離子，其被帶入循環(huán)水系統(tǒng)中的原因是循環(huán)水管路沒(méi)有密封或密封不完好，導(dǎo)致環(huán)境中的污染介質(zhì)溶于循環(huán)水。循環(huán)水凈化所選用的離子交換樹(shù)脂為聚苯乙烯磺酸鹽，它是一種陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，無(wú)法去除循環(huán)冷卻水中的Cl-、等陰離子，因此造成循環(huán)水管路的腐蝕。解決的措施是密封循環(huán)水管路系統(tǒng)并確保所購(gòu)置的離子交換樹(shù)脂為陰陽(yáng)離子混合型離子交換樹(shù)脂。需要進(jìn)一步說(shuō)明的是，工廠(chǎng)為降低成本，失效后的離子交換樹(shù)脂一般會(huì)進(jìn)行再生使用，再生過(guò)程中會(huì)引入Cl-、酸等腐蝕性介質(zhì)。如再生后離子交換樹(shù)脂未進(jìn)行充分的清洗，將會(huì)將腐蝕介質(zhì)帶入循環(huán)水中，從而造成循環(huán)水管路的腐蝕。因此，應(yīng)用純水對(duì)再生后的離子交換樹(shù)脂進(jìn)行充分沖洗再投入使用。

塑料管老化也是水冷系統(tǒng)常見(jiàn)的現(xiàn)象，水溫過(guò)高會(huì)加速塑料管老化，因此，一般要求冷卻水進(jìn)水口溫度不超過(guò)35℃，冷卻水溫升不超過(guò)10℃。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文僅從工程角度進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，水路本身的阻力損失、輻射散熱和空氣自然對(duì)流散熱所引起的溫升沒(méi)有計(jì)算在內(nèi)。由于水路計(jì)算比較復(fù)雜，設(shè)計(jì)誤差在所難免，為保證整流設(shè)備可靠運(yùn)行，應(yīng)在計(jì)算的基礎(chǔ)上增加10%~20%的裕量。

［1］沈陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院電力室編.硅整流所電力設(shè)計(jì).北京：冶金工業(yè)出版社，1983.

［2］廖秀華主編.電化學(xué)整流實(shí)用技術(shù)手冊(cè)（上冊(cè)）.天津：中國(guó)氯堿工業(yè)協(xié)會(huì)，2009.

［3］陳敏恒，叢得滋，方圖南，等.《化工原理》上冊(cè).第二版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999.

［4］朱日彰.金屬腐蝕學(xué).北京：冶金工業(yè)出版社，1989.

Design of water－cooling system for electrolytic rectifier

XU Jing－tao，LIANG Yong－wan
（Guangzhou Electric Apparatus Research Institute，Guangzhou 510300，China）

This paper discusses thecriterion in designing water－cooling system of electrolytic rectifier，it includes the principle of calculating powerdissipation and cooling－water flow of electrolytic rectifier，and the requirements for designing branches of cooling－water.

electrolytic rectifier，power dissipation，water－cooling system

TM461

B

1009－1785(2011)04-0009-03

2010-09-15