馬修偉，李帥兵，趙 陽(yáng)，彭華坤，張 鵬

（國(guó)網(wǎng)河南省電力公司直流中心，河南 鄭州 450000）

1 閥冷系統(tǒng)

換流閥有3種冷卻方式，分別是風(fēng)冷、油冷和水冷。其中風(fēng)冷和油冷是早期直流輸電工程所采用的方式，20世紀(jì)80年代后則幾乎全部采用水冷方式。純水具有良好的絕緣性和導(dǎo)熱性，非常適合作為換流閥的冷卻工質(zhì)。目前換流閥水冷系統(tǒng)制造技術(shù)成熟、冷卻效果理想、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富、檢修維護(hù)方便，已經(jīng)成為直流輸電工程換流閥冷卻的主要方法。

換流閥水冷系統(tǒng)由內(nèi)冷系統(tǒng)和外冷系統(tǒng)2部分組成。內(nèi)冷系統(tǒng)是一個(gè)密閉的回路，通常采用純水或純水與乙二醇的混合物作為循環(huán)工質(zhì)。內(nèi)冷系統(tǒng)包括主循環(huán)回路、去離子回路、氮?dú)夥€(wěn)壓回路和補(bǔ)水回路。主循環(huán)回路流經(jīng)主循環(huán)冷卻水泵（以下簡(jiǎn)稱主泵）、主過(guò)濾器、電加熱器、脫氣罐等，進(jìn)行換流閥的降溫。其中主泵是驅(qū)動(dòng)內(nèi)冷系統(tǒng)的總動(dòng)力源，是保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備。通常采用臥式離心不銹鋼泵，一備一用。去離子回路流經(jīng)離子交換器、精密過(guò)濾器、流量傳感器、電導(dǎo)率傳感器等，進(jìn)行冷卻工質(zhì)的凈化。氮?dú)夥€(wěn)壓回路流經(jīng)膨脹罐、氮?dú)鉁p壓閥等，進(jìn)行循環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)壓。補(bǔ)水回路由移動(dòng)補(bǔ)水車供水，流經(jīng)補(bǔ)水泵、補(bǔ)水罐、過(guò)濾器等，進(jìn)行循環(huán)系統(tǒng)的補(bǔ)水。外冷系統(tǒng)分為空冷和水冷2種方式，通常是由換流站所處的地理位置決定的。以外水冷為例，外水冷系統(tǒng)由冷卻塔、噴淋回路、噴淋水池、噴淋補(bǔ)水回路、噴淋水自循環(huán)水處理回路、噴淋加藥和排水系統(tǒng)組成，對(duì)內(nèi)冷系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)進(jìn)行降溫。圖1為簡(jiǎn)化后閥冷系統(tǒng)的示意圖。

2 熱管技術(shù)

熱管又被稱為熱超導(dǎo)體，顧名思義是一種導(dǎo)熱性極高的裝置。熱管技術(shù)在1944年由美國(guó)人GAUGLER R S提出，并于1963年由美國(guó)洛杉磯Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的G.M.Grover正式命名，通過(guò)氨、水、丙酮、甲醇作為換熱工質(zhì)，利用蒸發(fā)與冷凝包含的相變潛熱來(lái)進(jìn)行熱量傳遞[1,2]。通常熱管由管殼、吸液芯和傳熱工質(zhì)組成，分為蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段3個(gè)部分。管殼封閉，內(nèi)壁布有吸液芯，傳熱工質(zhì)則在其中流動(dòng)換熱。工作時(shí)，液態(tài)工質(zhì)在蒸發(fā)段吸收熱量，汽化為蒸氣，壓力升高，在壓力驅(qū)動(dòng)下流向低壓冷凝段。隨后工質(zhì)在冷凝段放熱液化，并沿著管壁的吸液芯在毛細(xì)力作用下回流至蒸發(fā)段，完成循環(huán)。

熱管在傳遞熱量時(shí)伴隨著工質(zhì)在相變時(shí)吸收或釋放的大量潛熱，因此比普通熱導(dǎo)體（如金屬）具有更高的導(dǎo)熱效率。例如一根直徑為20 mm的銅-水熱管，其導(dǎo)熱能力是同直徑紫銅棒的1 500倍[3]。又因?yàn)橄嘧儠r(shí)工質(zhì)溫度近似恒溫，因此熱管具有良好的等溫性，可實(shí)現(xiàn)微小溫差內(nèi)的傳熱。且熱管的傳熱方向可逆，其任意一端都能作為蒸發(fā)段或冷凝段使用。

熱管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，因此工作時(shí)無(wú)噪音、損耗小，運(yùn)行安全可靠。熱管外形具有可塑性，因此可將其集成化做成小型導(dǎo)熱元件，也可以延展做成遠(yuǎn)距離傳熱裝置，還可根據(jù)不同使用情況來(lái)改變蒸發(fā)段與冷凝段的傳熱面積，適配各種環(huán)境工況。圖2為熱管工作的傳熱示意圖。

熱管由于其優(yōu)秀的導(dǎo)熱能力、恒溫能力和外形的可塑性，在各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，小到微型電子元器件的散熱，大到家用熱管式太陽(yáng)能熱水器，甚至在航天領(lǐng)域給人造衛(wèi)星、空間站的向陽(yáng)面和背陰面進(jìn)行熱量傳遞，皆有熱管技術(shù)的用武之地。此外，在輸油管線工程、空調(diào)余熱回收和火電站空氣預(yù)熱等方面，熱管應(yīng)用也比比皆是，有效地節(jié)能減耗，創(chuàng)造了較高的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

3 一種新型閥冷主泵電機(jī)端蓋

換流閥冷卻系統(tǒng)的總動(dòng)力來(lái)自于主泵，主泵的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行是保證整個(gè)冷卻系統(tǒng)能夠正常工作的關(guān)鍵，通常采用臥式離心不銹鋼泵，一備一用。主泵動(dòng)力又來(lái)自于其電機(jī)，因此主泵電機(jī)一旦出現(xiàn)異常，整個(gè)閥冷系統(tǒng)就無(wú)法正常運(yùn)行。

主泵電機(jī)在工作時(shí)一般需要記錄同軸度和溫度2個(gè)方面參數(shù)，同軸度徑向和軸向偏差應(yīng)不大于0.1 mm，溫度根據(jù)電機(jī)絕緣等級(jí)，分為AEBFH這5個(gè)等級(jí)，最高允許溫度分別為105 ℃、120 ℃、130 ℃、155 ℃以及180 ℃[4]。閥冷系統(tǒng)主泵電機(jī)絕緣等級(jí)通常為F級(jí)，在155 ℃的工況下壽命可達(dá)10年，不過(guò)實(shí)際工況不會(huì)長(zhǎng)期達(dá)到設(shè)計(jì)值，因此一般壽命在20年左右。

主泵電機(jī)在負(fù)載運(yùn)行時(shí)所有的功率損耗最終都會(huì)變成熱能，使電機(jī)溫度升高，例如電機(jī)鐵芯在交變磁場(chǎng)中產(chǎn)生的鐵損，繞組通電后產(chǎn)生的銅損，還有一些其他損耗等等。如果長(zhǎng)期運(yùn)行在高溫之下，電機(jī)的絕緣材料會(huì)急劇老化，使電機(jī)壽命嚴(yán)重縮短，甚至損壞。因此控制電機(jī)溫度是保證電機(jī)長(zhǎng)期正常運(yùn)行的必要條件。

電機(jī)端蓋作為固定轉(zhuǎn)子軸空間位置、與固定電機(jī)定子的外殼相連的剛性元件，其鑄造與加工工藝一般要求結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)單，便于成型，同時(shí)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，防止內(nèi)應(yīng)力過(guò)大，產(chǎn)生裂紋。電機(jī)端蓋這種造型簡(jiǎn)單、大面積又具有高強(qiáng)度的工藝設(shè)計(jì)，加之與轉(zhuǎn)子、外殼、電機(jī)內(nèi)部空氣直接接觸，使之為應(yīng)用熱管技術(shù)提供了充分的條件。

圖3是一種基于熱管技術(shù)的新型閥冷主泵電機(jī)端蓋的設(shè)計(jì)，采用銅-水熱管，蒸發(fā)段布置在端蓋軸承周圍，通過(guò)吸收轉(zhuǎn)子連接軸和內(nèi)部空氣傳遞的熱量來(lái)進(jìn)行散熱，并設(shè)有溫度傳感器，實(shí)時(shí)記錄端蓋溫度。熱管冷凝端設(shè)計(jì)成翅片散熱器形式，增大散熱面積，提高散熱效率。熱管真空度由散熱器前端的真空泵提供，端蓋外熱管部分設(shè)有真空傳感器來(lái)記錄管內(nèi)實(shí)時(shí)壓力。溫度、壓力、真空泵抽氣速率和抽氣量等信號(hào)連接至集成控制模塊，方便數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程操作。

通過(guò)真空泵抽真空，工質(zhì)壓力達(dá)到相變點(diǎn)附近，并在蒸發(fā)段吸熱汽化，利用相變傳遞大量潛熱至冷凝段，再由散熱器冷凝為液體，沿管壁吸液芯回流至蒸發(fā)段，如此循環(huán)。工質(zhì)在相變點(diǎn)附近只要存在微小溫差，即會(huì)發(fā)生相變，產(chǎn)生大量潛熱，其傳熱系數(shù)、熱流密度遠(yuǎn)高于端蓋自身的金屬導(dǎo)熱，大大提高了傳熱效率。

4 工程應(yīng)用

由于熱管的傳熱效率是端蓋自身金屬導(dǎo)熱的數(shù)百倍以上，而且可以在端蓋和環(huán)境溫差較小的情況下進(jìn)行高效的熱傳遞，并保持自身良好的等溫性，不會(huì)產(chǎn)生額外的熱應(yīng)力對(duì)端蓋造成不良影響，因此端蓋結(jié)合熱管技術(shù)作為給電機(jī)降溫的方法具有良好的可行性。與此同時(shí)，熱管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)動(dòng)態(tài)部件，損耗低、噪音小，傳熱效率高、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，使之在運(yùn)行和維護(hù)上不需要過(guò)于關(guān)注，具有較高的安全可靠性。

熱管外殼一般為銅管或不銹鋼管密封而成，吸液芯則由極細(xì)的金屬銅絲或銅粉構(gòu)成的多孔介質(zhì)組成，依靠銅絲間隙的毛細(xì)作用力來(lái)回流液體工質(zhì)。其間流動(dòng)的傳熱工質(zhì)根據(jù)工作溫度范圍的不同，可選用水、甲醇、氨、鈉、萘等。圖4為不同材料工作的溫度范圍[5]。

本設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)銅—水熱管，如圖5所示。直徑8 mm，管殼為純銅材質(zhì)，傳熱工質(zhì)為純水，額定功率80 W，熱阻系數(shù)≤0.08 ℃/W，蒸發(fā)段和冷凝段傳熱系數(shù)為4 900～8 100 W/（m2·℃），啟動(dòng)溫度15 ℃，允許溫度范圍0～350 ℃，理想溫度范圍20～200 ℃。通過(guò)真空泵抽真空，水的壓力達(dá)到相變點(diǎn)附近，如圖6所示，在電機(jī)端蓋吸熱汽化，壓力升高，同時(shí)流向壓力較低的散熱器，并放熱液化，再順著管壁吸液芯的毛細(xì)作用回流至端蓋，完成循環(huán)。相變傳熱能在微小溫差內(nèi)傳遞大量潛熱，例如1 kg水在100 ℃時(shí)可以傳遞2 264 J的熱量，遠(yuǎn)大于端蓋鑄鐵自身的導(dǎo)熱量，因此本設(shè)計(jì)能夠很好地實(shí)現(xiàn)電機(jī)散熱效果。

5 結(jié) 論

基于熱管換熱技術(shù)的新型閥冷主泵電機(jī)端蓋能夠利用傳熱工質(zhì)的相變潛熱排出大量熱量，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的有效降溫，避免其因溫度過(guò)高造成的使用壽命縮短或損壞，進(jìn)而保障了整個(gè)換流閥冷卻系統(tǒng)長(zhǎng)期安全穩(wěn)定的運(yùn)行，同時(shí)熱管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于維護(hù)，具有很高的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。