一种特高压碳化硅换流阀冷却系统的制作方法

本实用新型属于电力电子中特高压直流输电换流阀领域，具体讲涉及一种特高压碳化硅换流阀冷却系统。

背景技术：

特高压直流输电是当前唯一可实现将万兆瓦级电能高效率输送至两千公里以外的先进输电技术，具有输电容量大、距离远、效率高、损耗低、占地少的优势，在跨区送电方面一直发挥着重要作用。

换流阀是直流输电的核心设备，目前换流阀的核心元件是晶闸管，由于换流阀工作时承受的电压高达数百千伏，电流高达几千安，以半导体硅作为基础材料的晶闸管阀将产生巨大的功率损耗。而且，以硅器件为基础的电晶闸管开关性能已随其结构设计和制造工艺的完善而接近其由材料特性决定的理论极限，依靠硅器件继续完善和提高晶闸管换流阀装置的系统性能潜力已十分有限。

此外，特高压直流输电换流阀的冷却方式经历由空冷、油冷到现在水冷却方式的转变，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，然而由于碳化硅晶闸管耐压能力高、内部导热系数及功率密度要远高于现在应用的硅晶闸管，况且现有水冷却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，已不能满足碳化硅晶闸管换流阀的冷却要求。

相变冷却作为一种新型、高效的冷却方式，然而现有研究主要是侧重于发电机技术领域、功率电子管和GTO逆变器领域，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，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。

技术实现要素：

基于上述特高压直流输电换流阀及其冷却系统存在的问题，本实用新型提出了一种特高压碳化硅换流阀冷却系统。

本实用新型采用下述技术方案：

一种特高压碳化硅换流阀冷却系统，其特征在于，所述特高压碳化硅换流阀包括：由碳化硅换流阀组成的碳化硅二重阀；

所述冷却系统包括：一次冷却系统和二次冷却系统；

所述一次冷却系统包括：冷凝器及其所设换热组件；

所述二次冷却系统包括：二次冷却介质出口管、二次冷却装置及其所设换热器、循环泵及二次冷却介质回流管。

进一步的，所述循环泵设于所述二次冷却装置与所述冷凝器间的所述二次冷却介质出口管路上；

所述二次冷却装置的二次冷却介质回流管与所述冷凝器的冷却介质入口相连。

进一步的，所述碳化硅换流阀包括：碳化硅晶闸管、设于所述碳化硅晶闸管的两侧的散热器、与阻尼电阻对应设置的所述散热器、分别竖直设于所述散热器外侧的碳化硅晶闸管压装装置和竖直平行设于所述压装装置中一个压装装置外侧的饱和电抗器；

所述散热器的两端设有冷却介质进口和出口。

进一步的，冷却所述散热器的换热单元包括：冷却介质出口支管、冷却介质出口汇流管、冷却介质主出口管、冷却介质主进口管、进口汇流管和进口支管；

所述冷却介质从所述散热器排出后，经所述出口支管、所述出口汇流管、所述主出口管进入所述冷凝器。

进一步的，所述碳化硅晶闸管包括：触发和监控系统TTM、晶闸管、阻尼电容、阻尼电阻、直流均压电阻和取能电阻。

进一步的，所述循环泵包括：设于泵壳内的泵芯及，设于所述泵壳的顶端泵阀，所述泵壳的顶端设有用于释放循环泵内空气的气阀。

进一步的，所述循环泵包括：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；

所述气阀与控制器电连接，所述控制器控制气阀的开合。

进一步的，所述冷却介质主出口管上设有主出口管阀门，所述进口汇流管上设有进口汇流管阀门。

进一步的，所述二次冷却介质出口管上设有阀门，所述二次冷却介质回流管上设有进口管阀门。

与最接近的现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1、耐压能力强、结构简单、运行可靠性高及成本低，碳化硅晶闸管具有禁带宽度大、击穿电场强度高、饱和载流子漂移速度高、工作频率快、耐高温及热导率高等优点，将碳化硅晶闸管应用到特高压直流输电换流阀，不仅可大量减少晶闸管等元器件数量、简化换流阀结构，还可显著提高换流阀运行可靠性、降低换流阀损耗，节约能源。

2、冷却效率高、适应环境能力强，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，能有效保证碳化硅晶闸管、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，不但能有效保证一次冷却系统运行的可靠性，也可根据环境要求，采用水+乙二醇或者纳米流体等冷却介质来提高二次冷却系统的抗低温性，适应环境能力强。

3、设备运行安全、维护方便、经济性好，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，无水冷却过程中去离子树脂等材料消耗，且相变冷却介质循环动力由碳化硅晶闸管、阻尼电阻等元器件热损耗提供，不需外加动力，整个系统自成独立的自循环系统，维护方便。

附图说明

图1为碳化硅换流阀晶闸管级电气原理图；

图2为碳化硅换流阀结构图；

图3为本实用新型结构原理图；

图4为相变冷却系统阻尼电阻位置说明图；

图5为本实用新型的循环泵结构示意图；

其中，1-碳化硅晶闸管，2-散热器，3-阻尼电阻，4-饱和电抗器，5-冷却介质出口支管，6-冷却介质出口汇流管，7-冷却介质主出口管，8-冷凝器，9-冷却介质主进口管，10-进口汇流管，11-进口支管，12-碳化硅晶闸管压装装置，13- 碳化硅换流阀，14-二次冷却介质出口管，15-二次冷却装置，16-循环泵，17-二次冷却介质回流管，18-碳化硅二重阀，19-主出口管阀门，20-进口汇流管阀门，21-回流管阀门，22-出口管阀门。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细说明。为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图3所示是一种多气候条件运行特高压碳化硅换流阀及其冷却系统由碳化硅二重阀、相变冷却系统(一次冷却系统)及二次冷却系统组成；碳化硅换流阀模块13由碳化硅晶闸管1、散热器2、阻尼电阻3、饱和电抗器4及碳化硅晶闸管压装装置12组成，每个晶闸管级包括晶闸管、阻尼电容、阻尼电阻、直流均压电阻、取能电阻和TTM。四个换流阀模块13构成一个碳化硅二重阀18；相变冷却系统(一次冷却系统)由出气支管5、出气汇流管6、主出气管7、冷凝器8、主进液管9、进液汇流管10、进液支管11组成；二次冷却系统由二次冷却介质出口管14、二次冷却装置15、循环水泵16及二次冷却介质回流管17 组成。

碳化硅晶闸管1由两块散热器2左右压紧，由于电气设计的空气绝缘间距，五级碳化硅晶闸管1及散热器2串联，并由碳化硅晶闸管压装装置11压紧；阻尼电阻3布置在散热器2表面或插入散热器2内部；冷凝器8布置在碳化硅二重阀上方，冷凝器8通过主出气管7及主进液管9与换流阀组件13组成相变冷却介质流通回路。

散热器2用于冷却碳化硅晶闸管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内部有流道结构，散热器2与碳化硅晶闸管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下方，出口位于散热器2上方；散热器出口通过出气支管5、出气汇流管6及主出气管7 与冷凝器8进口连接；散热器进口通过主进液管9、进液汇流管10及进液支管 11与冷凝器8连接。

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

冷凝器8布置在碳化硅二重阀上方，冷凝器8内部有高温气液混合物冷凝所需管路结构；冷凝器8具有容积可变稳压功能，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顶部设有排气阀。

二次冷却装置15位于碳化硅二重阀18所在阀厅外部，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，冷凝器8中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出口管14流动，由循环水泵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回流管17进入到冷凝器 8中，形成二次冷却系统回路。

二次冷却装置15按质量百分比计的下述组份制得：

铬≤0.04％、锆0.08～0.15％、锌5.7～6.7％、硅≤0.12％、铁0.000～0.150％、锰≤0.10％、镁1.9～2.6％、钛≤0.06％、铜2.0～2.6％；余量为铝。

本专利中换流阀单阀由十级碳化硅晶闸管1串联为实施案例，由碳化硅晶闸管1数量调整导致的结构变化，也在本专利范围之内；本专利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。

如图5所示是循环泵的结构图，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。

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。

所述气阀164外接橡皮管，实现手动开合，进行放气。

冷却介质主出口管7上设有主出口管阀门19，所述进口汇流管10上设有进口汇流管阀门20。二次冷却介质出口管14上设有回流管阀门21，所述二次冷却介质回流管17上设有出口管阀门22。所有阀门都是气动阀门，不需要外加动力，根据碳化硅换流阀的温度来控制阀门的开闭。

所有管道的材质均按质量百分比计的下述组份制得：

碳≤0.21％、锰0.30～0.60％、磷0.045～0.080％、硫≤0.030％；余量为铁。

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。