唐建惠，寧 濤，栗河川

(1.河北省電力研究院，石家莊 050021;2.河北華電石家莊熱電有限公司，石家莊 050046；3.河北西柏坡發(fā)電有限責(zé)任公司，石家莊 050400)

勵(lì)磁整流柜是應(yīng)用于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的電力電子裝置，應(yīng)滿足額定輸出電流、強(qiáng)勵(lì)時(shí)最大輸出電流和風(fēng)機(jī)停運(yùn)時(shí)整流柜最大輸出電流3種運(yùn)行工況的要求，因此在設(shè)計(jì)整流柜時(shí)，必須選用合適的晶閘管、散熱器和風(fēng)機(jī)，布置合理的散熱系統(tǒng)。整流柜主回路熱計(jì)算是從強(qiáng)迫對(duì)流換熱、自然對(duì)流換熱和瞬態(tài)阻抗3個(gè)方面計(jì)算晶閘管的結(jié)溫，判斷其是否在安全溫度范圍內(nèi)工作。某電廠2臺(tái)300 MW燃煤機(jī)組汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)使用的整流柜由于運(yùn)行年限超過(guò)10年，出現(xiàn)整流元件過(guò)熱造成機(jī)組非正常停機(jī)等異常情況，因此在進(jìn)行技術(shù)改造時(shí)，要重點(diǎn)了解整流柜在不同工況下溫升和散熱的情況。

1 散熱元件的選取原則

用于可控硅整流柜的散熱器主要包括大容量鋁散熱器、大容量的熱管自冷散熱器、小容量的熱管自冷散熱器，輸出電流為600～1 800 A的整流柜，可以使用風(fēng)冷的鋁散熱器，也可以使用熱管自冷散熱器。對(duì)于2 400 A及以上容量的整流柜，只能使用風(fēng)冷的鋁散熱器。該次改造的整流柜的單柜最大輸出電流為3 600 A，因此選用風(fēng)冷的鋁散熱器。

2 設(shè)備技術(shù)條件

2.1 晶閘管全波三相整流橋參數(shù)

單柜額定輸出電流Id1=1 800 A (長(zhǎng)期運(yùn)行)；

單柜最大輸出電流Id2=3 600 A(30 s)；

單柜停風(fēng)機(jī)最大輸出電流Id3=600 A(30 min)；

交流輸入電壓Ud≤800 V；

直流輸出電壓Ud≤800 V；

晶閘管反向耐壓U=4 000 V。

2.2 DCR1476SY型晶閘管參數(shù)

額定正向平均電流IT(AV)=1 770 A；

斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM=3 800 V；

門檻電壓VT0=1.03 V；

斜率電阻rT=0.32 mΩ；

結(jié)殼熱阻Rjc=0.009 5 ℃/W；

接觸電阻Rcs=0.002 ℃/W。

2.3 DXC-603-1型散熱器參數(shù)

散熱器尺寸l=540 mm，l1=235 mm，l3=275 mm，(l為散熱器熱器長(zhǎng)，l1為散熱器熱器寬，l3為散熱器熱器高)；

散熱器熱阻Rsa=0.05 ℃/W,W=6 m/s(由制造廠提供)；

散熱器流阻L=200 mm，Rsa=0.125 ℃/W，△P0=65 Pa；

型材截面積Fso=83.2 cm2；

型材截面周長(zhǎng)L=215 2 mm；

型材重量Q=22.88 kg/m。

2.4 R4E400AB23-05型風(fēng)機(jī)參數(shù)

額定風(fēng)量L=3 150 m3/h；電壓U=230 V；每相風(fēng)道截面為：F0=0.043 2 m2；當(dāng)壓降△P=45 Pa時(shí)，風(fēng)量L=2 800 m3/h。

3 熱計(jì)算過(guò)程

熱計(jì)算的目的在于研究不同工況下整流元件晶閘管的結(jié)溫，確保整流部件的安全運(yùn)行。對(duì)該次改造的熱計(jì)算使用了2個(gè)數(shù)學(xué)模型，1個(gè)模型用于鋁型材散熱器的空氣自然對(duì)流換熱，考慮到散熱器的翅片間距，可視為垂直于地面的平板，利用等溫表面的經(jīng)驗(yàn)公式求得。另1個(gè)數(shù)學(xué)模型為斯蒂芬-波爾茲曼方程，用于計(jì)算單只可控硅整流管的實(shí)際熱輻射面積[1]。計(jì)算時(shí)設(shè)定裝置各處的環(huán)境溫度相同，各層整流單元元件的溫差忽略不計(jì)，作為工程應(yīng)用，計(jì)算結(jié)果使用熱計(jì)算平均值。

3.1 晶閘管功耗

根據(jù)不同工況下的額定電流計(jì)算額定正向電流的平均值ITa，額定電流ITa1=0.368、Id1=662.4 A，2倍電流ITa2=0.368、Id2=1 324.8 A，停風(fēng)時(shí)的允許電流ITa3=0.368、Id3=220.8 A。

根據(jù)電流電壓計(jì)算三相全波整流晶閘管功耗，P1=ITa1·VT0+2.47ITa12·rT，代入以上參數(shù)，可得P1=1 029 W、P2=2 752 W、P3=266 W。

3.2 風(fēng)冷工況時(shí)晶閘管參數(shù)計(jì)算

根據(jù)散熱元件物理結(jié)構(gòu)，計(jì)算雷諾數(shù)，再導(dǎo)出平均換熱系數(shù)和翅片效率，從而得到對(duì)流換熱電阻Rs和導(dǎo)熱電阻Rd，根據(jù)溫度計(jì)算公式計(jì)算晶閘管結(jié)溫。

3.2.1 雷諾數(shù)ReL

雷諾數(shù)是表征流體流動(dòng)特性的一個(gè)參數(shù)，與散熱元件的物理結(jié)構(gòu)有關(guān)系。三相全波整流橋每相為一單元，U、V、W各一單元，每單元2只晶閘管，分別壓裝在一個(gè)長(zhǎng)散熱器和2個(gè)短散熱器上。3個(gè)單元裝入風(fēng)道中，風(fēng)道上方設(shè)置集風(fēng)器和離心風(fēng)機(jī)。每只晶閘管對(duì)應(yīng)的散熱器流阻為65 Pa。

每相風(fēng)道截面為：F0=0.043 2 m2，每相散熱器截面為：Fs=0.016 64 m2，三相3單元散熱器流阻為：△P=△P0/3×2=43.3 Pa。

查R4E400AB23-05流量風(fēng)壓曲線，當(dāng)△P=43.3 Pa時(shí)，L=2 800 m3/h

若散熱器翅片間風(fēng)速為ω，則

(1)

當(dāng)環(huán)境溫度Ta=40 ℃,γ=17.01×10-6m2/S，代入式(1)則得到臨界雷諾數(shù)為5，屬于層流流動(dòng)。

3.2.2 換熱系數(shù)h

(2)

(3)

(4)

式中：λ為鋁的導(dǎo)熱系數(shù)，對(duì)于合金鋁散熱器，λ=205 W/(m2℃)；δ為散熱器翅片厚度，δ=0.004 m；Is為尾翅片高，Is=0.045 m。查ml-η曲線，得出η=0.96，mls=0.394

3.2.4 對(duì)流換熱電阻Rs和導(dǎo)熱電阻Rd

散熱器總熱阻由對(duì)流換熱電阻Rs和導(dǎo)熱電阻Rd相加而得。前者表征換熱元件在對(duì)流情況下的溫升特性，是換熱系數(shù)的倒數(shù)，同時(shí)與散熱元件面積、換熱系數(shù)成反比，即式(5)。后者表征換熱元件在傳導(dǎo)換熱情況下溫升特性，與其導(dǎo)熱系數(shù)成反比，與散熱元件面積成反比而與其厚度成正比，即式(6)。

(5)

式中：A為散熱器翅片面積，m2，將數(shù)值代入式(5)，得到Rs=0.034 8 ℃/W。

使用導(dǎo)熱電阻可以定量計(jì)算元件在傳導(dǎo)換熱情況下的溫升特性，

(6)

3.3 同工況下的結(jié)溫

上述計(jì)算過(guò)程中，由雷諾數(shù)推導(dǎo)出換熱系數(shù)，然后計(jì)算出翅片效率，根據(jù)翅片效率及散熱器面積代入公式(5)得出對(duì)流換熱電阻Rs。根據(jù)散熱器在傳導(dǎo)方式下的物理尺寸計(jì)算出導(dǎo)熱電阻Rd，兩者相加從而得到了散熱器總熱阻Rsa。

根據(jù)溫度計(jì)算公式Tj=p(Rsa+Rja+Rcs)+Ta=P∑ri+Ta，代入3.2.4中的計(jì)算結(jié)果，可以進(jìn)行結(jié)溫計(jì)算。

式中：Rsa為散熱器總熱阻，℃/W；Rjc為晶閘管結(jié)殼熱阻，℃/W；Rcs為晶閘管接觸熱阻，℃/W ；Ta為環(huán)境溫度，℃；P為晶閘管功耗，W。

3.3.1 額定輸出電流時(shí)的結(jié)溫Tj1

當(dāng)P1=1 029 W，Tj1=113.18℃，<125 ℃。

3.3.2 最大輸出電流時(shí)的結(jié)溫Tj2

3.3.3 自冷工況最大輸出電流時(shí)的結(jié)溫Tj3[1]

停風(fēng)機(jī)時(shí), 整流柜進(jìn)入自冷工況，與散熱器進(jìn)行自然對(duì)流換熱的同時(shí)，輻射換熱也起到重要作用,這是整流柜的最惡劣工況，因此還要計(jì)算輻射換熱的熱量，以便得出該工況下的平均對(duì)流換熱系數(shù)和輻射對(duì)流系數(shù)。[A]為散熱器包絡(luò)面的面積：[A]=0.22 m2，散熱器的總換熱量與輻射換熱量之比為K, 則K可用式(7)表示:

(7)

式中:E0為散熱器氧化為黑色時(shí)的輻射率，取0.60；Ei為散熱器氧化為銀白色時(shí)的輻射率，取0.33，則得到K=8.884。

(8)

此溫度下的格拉曉夫數(shù)為：

(9)

式中：g為重力加速度，g=9.81 m/s2，l為散熱器特征長(zhǎng)度，l=0.255 m；Tf=63.7 ℃時(shí)，r=19.46 ×10-6m/s2，代入數(shù)值得到Grl=60 449 458.7，GrlPr=42 622 913.3。

若輻射換熱系數(shù)為hE，則

=2.871 W/(m2℃)；輻射換熱熱阻為RE，RE=1/(hE[A])=1.583 ℃/W。

綜合換熱系數(shù)為RH，RH=(RE-1+RSa-1)-1=0.193 1 ℃/W。

自然工況時(shí)晶閘管結(jié)溫為：

TJ3=P3(RH+RJC+RCS)+Ta=94.41 ℃<125 ℃

3.3.4 計(jì)算結(jié)果

a.整流柜額定輸出電流Id1=1 800 A，晶閘管結(jié)溫TJ1=113.18 ℃。

b.整流柜最大輸出電流Id2=3 600 A(30 s)，晶閘管結(jié)溫TJ2=117.64 ℃。

c.整流柜停風(fēng)機(jī)時(shí)最大輸出電流Id3=600 A，晶閘管結(jié)溫TJ3=94.41 ℃。

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

當(dāng)自然對(duì)流換熱和輻射換熱達(dá)到最大能力，仍不能滿足整流管的散熱要求時(shí)，散熱器依靠自身熱容量吸收部分熱量，是熱量分流的一種重要方式。散熱器在較小溫升的情況下，以其自身熱容量吸收未能由自然對(duì)流換熱和輻射換熱散發(fā)的熱量，從而緩和硅整流管結(jié)溫上升過(guò)高的趨勢(shì)。因此，適當(dāng)增加散熱器的質(zhì)量，使之有較大的熱容量，在短時(shí)吸收整流管的功耗熱能，是解決整流散熱器散熱能力不足的有效途徑[2]。整流柜在3種工況下，晶閘管的結(jié)溫均低于125 ℃，滿足設(shè)計(jì)要求，可安全運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

改造后整流柜硅整流元件的溫升(與散熱器結(jié)合處)能夠滿足元件的標(biāo)準(zhǔn)要求，并且在不同散熱條件的工況下，能夠滿足表1中運(yùn)行時(shí)間的要求。選配整流柜元件時(shí)，應(yīng)進(jìn)行熱計(jì)算，并對(duì)空氣自然對(duì)流換熱、輻射換熱和整流散熱器自身熱容量3個(gè)方面的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)估，使整流散熱器的效能最終能滿足整流裝置在各種運(yùn)行條件下的散熱要求，從而保證整流柜的安全運(yùn)行。

[1] 沈 鴻.《機(jī)械工程手冊(cè)》(第二卷)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

[2] 楊冠豪.地鐵牽引變電站整流器的熱設(shè)計(jì)[J].機(jī)車電傳動(dòng)，1995，4：31-36.