一种用于直流断路器的冷却装置及方法与流程

1.本发明属于直流断路器技术领域，特别涉及一种用于直流断路器的冷却装置及方法。


背景技术：

2.大量的新能源并网，谐波污染和电能的不稳定性，是多年来一直难以解决的技术难题；同时，大量新能源汽车充电等不稳定性直流负荷日益增加，发展以“源、网、荷、储”为一体的中低压直流配电网是解决这一技术难题的有效手段。
3.确保中低压直流配电网安全、灵活运行，基于大功率电力电子器件(在直流输配电领域，通常为反向不重复峰值电压1000v以上，通态平均电流 1000a以上的电力电子器件，都统称为高压大功率器件)为核心的直流断路器是其重要的核心关键装备，它具备持续通流和开断直流稳态电流、开断直流故障电流的能力。直流断路器在配电网中使用数量多，随着中低压直流配电网的发展，市场需求量巨大。
4.目前，在中低压直流配电网示范项目中，直流断路器均为基于可控半导体器件为核心换流技术的混合式直流断路器，混合式直流断路器拓扑结构较为复杂，一般由主通流支路、转移支路和耗能支路并联组成，导通系统直流电流的主通流支路仅为快速机械开关，损耗小，自然冷却；但开断电流，需要将系统电流先由主通流支路转移到以可控半导体器件为核心的转移支路后，才能关断直流电流，开断时间长(约为3ms)；整体体积大，仅能在户内运行，难以实现在土地资源紧张的城市核心区大规模应用或环境较为恶劣的户外、海上运行；而且混合式直流断路器所用器件种类多、结构复杂、运维复杂，成本昂贵。
5.基于可控半导体器件为核心的全固态直流断路器，拓扑结构简单，开断速度快(小于1ms)。但运行过程中，半导体器件的损耗导致的发热一直是制约工程示范应用的主要技术难题。
6.目前，关于大功率的电力电子器件(半导体器件)的冷却主要是通过风机抽风或吹风的方式，直接将热量带走，但这种方式散热功率小，噪音大；还有常用的通过去离子水强迫循环冷却，但这种方式设计出来的冷却结构设计复杂，冷却结构内的水冷循环管路接头多，渗漏水故障率高，整体设备占地面积大，运维复杂。
7.上述的两种方式均不适宜在中低压直流配网系统中推广使用。
8.因此，需要设计一种用于直流断路器的冷却装置及方法，以解决上述技术问题。


技术实现要素：

9.针对上述问题，本发明提供了一种用于直流断路器的冷却装置，所述冷却装置包括冷却箱、换热器以及液体汇集机构，其中，
10.所述冷却箱内装有冷却液，所述冷却液用于对直流断路器中的可控半导体组件进行冷却，其中，可控半导体组件能浸没在冷却箱内的冷却液中；
11.所述换热器用于对冷却产生的冷却液蒸汽进行液化；
12.所述液体汇集机构，用于使液化后的冷却液汇集后流入冷却箱底部中，以实现对可控半导体组件的循环冷却。
13.进一步地，
14.所述可控半导体组件包括散热器以及半导体器件，其中，
15.所述散热器与半导体器件压接，用于将所述半导体器件产生的热量传递给冷却液。
16.进一步地，所述可控半导体组件为混合桥电路、全桥电路、直串电路、全控型器件电路中的任意一种。
17.进一步地，所述散热器的断面为正方形端面，所述散热器与半导体器件压接的接触面为圆形。
18.进一步地，所述液体汇集机构包括汇集管以及两个回流板，其中，
19.汇集管能安装在冷却箱内，两个所述回流板分别连接在汇集管的两端；
20.可控半导体组件位于汇集管中间部分的上方，且位于汇集管的两端之间。
21.进一步地，两个所述回流板的上端均连接在换热器的底部，且两个回流板的上端分别位于换热器底部的进气口两侧。
22.进一步地，所述冷却液为绝缘液体。
23.进一步地，所述冷却液为电子氟化液，其沸点不大于60℃，介电强度不小于35kv，电阻率为1015ω/cm。
24.另一方面，本发明还提供一种用于直流断路器的冷却方法，所述方法包括：
25.利用冷却箱内装有的冷却液，对直流断路器中的可控半导体组件进行冷却，其中，可控半导体组件能浸没在冷却箱内的冷却液中；
26.利用换热器对冷却产生的冷却液蒸汽进行液化；
27.利用液体汇集机构使液化后的冷却液流入冷却箱底部。
28.进一步地，所述可控半导体组件包括散热器以及半导体器件；
29.所述方法还包括：
30.利用散热器与可控半导体组件中的半导体器件压接，以将所述半导体器件产生的热量传递给冷却液。
31.本发明的一种用于直流断路器的冷却装置及方法，其有益效果在于：
32.1、可控半导体组件整体浸没在绝缘液体(冷却液)中，与传统水冷相比，冷却系统设计更简单，避免了传统冷却系统水管接头多，渗漏水故障率高的缺点，提高了设备运行可靠性，运行维护更简单。
33.2、直流断路器中的可控半导体组件整体浸没在绝缘液体中，与现有直流断路器及其他大功率电力电子装备相比，安装、运行环境不局限于户内，可用于户内外、海上、舰船等环境比较恶劣的应用场合；
34.3、冷却循环介质(冷却液)采用电子氟化液，与目前大功率电力电子组件冷却介质(水)相比，沸点更低，散热效果更高，绝缘强度高、电阻率大；
35.4、本发明的冷却方案采用浸没式两相(使冷却液变成气体，再由气体变成液体)散热原理，可控半导体组件产生的热量，单位容积的液体带走的热量比传统两相散热原理更多，减少了液体使用量；
36.5、与传统的水冷散热器相比，本发明中的散热器制造难度更低，散热器的接触面积更大，散热效率更大。
37.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
38.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
39.图1示出了根据本发明实施例的直流断路器的电路图；
40.图2示出了根据本发明实施例的混合桥电路的电路图；
41.图3示出了根据本发明实施例的全桥电路的电路图；
42.图4示出了根据本发明实施例的直串电路的电路图；
43.图5示出了根据本发明实施例的全控型器件电路的电路图；
44.图6示出了根据本发明实施例的冷却装置的正面结构示意图；
45.图7示出了根据本发明实施例的冷却装置的侧面结构示意图；
46.图8示出了根据本发明实施例的散热器的结构示意图。
具体实施方式
47.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
48.另外，在发明中，术语“第一”、“第二”和其它类似词语并不意在暗示任何顺序、数量和重要性，而是仅仅用于对不同的元件进行区分。
49.本发明提供了一种用于直流断路器的冷却装置，其中，冷却装置所需要冷却的直流断路器的结构图可如图1所示的，直流断路器包括并联的全控半导体开关1以及能量耗散组件。
50.全控半导体开关1包括可控半导体组件及保护电路，所述保护电路，用于抑制控半导体组件中的可控半导体器件过压以及电压上升dv/dt。可实现直流电流的双向开通和关断，在电网中，稳态运行工况下，持续导通稳态直流电流，可控半导体器件产生较大的热量。
51.能量耗散组件2由非线性电阻片级联而成，一般为避雷器阀片组，其中，避雷器阀片组由多个避雷器阀片经过级联而成(其级联的方式为串联、并联以及串并联之间的组合中的任意一种或多种，根据实际需要设计而定)。
52.全控半导体开关1电气拓扑结构主要包括但不限于为如下的混合桥电路、全桥电路、直串电路、全控型器件电路。
53.混合桥电路
54.混合桥电路包括控制支路以及并联的rc支路、第一二极管支路和第二二极管支路，其中，
55.控制支路的两端连接分别连接在第一二极管支路和第二二极管支路上。
56.如图2所示的，具体的：
57.rc支路包括电阻r1以及电容c1，电阻r1的一端连接在电容c1的一端；
58.第一二极管支路包括二极管d1以及二极管d4，二极管d1的阳极连接在电容的另一端，二极管d1的阴极连接在二极管d4的阴极，二极管d4的阳极连接在电阻r1的另一端；
59.第二二极管支路包括二极管d2以及二极管d3，二极管d2的阴极连接在二极管d1的阳极，二极管d2的阳极连接在二极管d3的阳极，二极管d3 的阴极连接在二极管d4的阳极；
60.控制支路包括全控型器件t1以及二极管d5，全控型器件t1的阳极连接在二极管d1的阴极，全控型器件t1的阴极连接在二极管d2的阳极，二极管d5的阴极连接在全控型器件t1的阳极，二极管d5的阳极连接在全控型器件t1的阴极。
61.在混合桥电路，全控型器件t1包括但不限于为igbt(insulated gatebipolar transistor，绝缘栅双极型晶体管)、igct(integratedgate-commutated thyristor，集成门极换流晶闸管)，且在混合桥电路运行过程，全控型器件t1以及所有的二极管，这些半导体器件，均为发热元件。
62.全桥电路
63.全桥电路包括电容支路、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂以及第四桥臂，其中，
64.第一桥臂与第三桥臂串联后与电容支路并联；
65.第二桥臂与第四桥臂串联后与电容支路并联。
66.如图3所示的，具体的：
67.电容支路包括有电容c；
68.第一桥臂包括全控型器件t1以及二极管d1，全控型器件t1的阳极连接在电容c的一端，二极管d1的阴极连接在全控型器件t1的阳极，二极管d1的阳极连接在全控型器件t1的阴极；
69.第三桥臂包括全控型器件t3以及二极管d3，全控型器件t3的阳极连接在全控型器件t1的阴极，全控型器件t3的阴极连接在电容c的另一端，二极管d3的阴极连接在全控型器件t3的阳极，二极管d3的阳极连接在全控型器件t3的阴极；
70.第二桥臂包括全控型器件t2以及二极管d2，全控型器件t2的阳极连接在电容c的一端，二极管d2的阴极连接在全控型器件t2的阳极，二极管d2的阳极连接在全控型器件t2的阴极；
71.第四桥臂包括全控型器件t4以及二极管d4，全控型器件t4的阳极连接在全控型器件t2的阴极，全控型器件t4的阴极连接在电容c的另一端，二极管d4的阴极连接在全控型器件t4的阳极，二极管d4的阳极连接在全控型器件t4的阴极。
72.在全桥电路中，全控型器件t1、t2、t3、t4均为igbt，且在全桥电路运行过程中，全控型器件t1、t2、t3、t4以及所有的二极管，这些半导体器件，均为发热元件。
73.igbt直串电路(直串电路)
74.直串电路包括第一连接支路以及并联的第二连接支路和第三连接支路，其中，
75.第一连接支路与第二连接支路以及第三连接支路均连接。
76.如图4所示的，具体的：
77.第二连接支路包括全控型器件t1、二极管d3、全控型器件t2以及二极管d4，全控型器件t1的阳极连接在全控型器件t2的阳极，二极管d3阳极连接在全控型器件t1的阴极，二极管d3阴极连接在全控型器件t1的阳极，二极管d4的阴极连接在全控型器件t2的阳极，二极管d4的阳极连接在全控型器件t2的阴极；
78.第三连接支路包括电容c1、二级管d1、二级管d2以及电容c2，电容 c1的一端连接在全控型器件t1的阴极，电容c2的一端连接在全控型器件 t2的阴极，二级管d1的阴极连接在电容c1的另一端，二级管d1的阳极连接在二级管d2的阳极，二级管d2的阴极连接在电容c2的另一端；
79.第一连接支路包括电阻r1以及电阻r2，电阻r1的一端连接在二级管 d1的阴极，电阻r1的另一端连接在电阻r2的一端、二级管d1的阳极以及全控型器件t1的阳极，电阻r2的另一端连接在二级管d2的阴极。
80.在直串电路中，全控型器件t1、t2均为igbt，且在直串电路运行过程中，全控型器件t1、t2以及所有的二极管，这些半导体器件，均为发热元件。
81.igct电路(全控型器件电路)
82.全控型器件电路包括并联的吸能支路、第一开关支路以及第二开关支路。
83.如图5所示的，具体的：
84.吸能支路包括电容c以及避雷器mov，电容c的一端连接在避雷器mov 的一端；
85.第一开关支路包括全控型器件t1，全控型器件t1的阳极连接在避雷器mov的另一端，全控型器件t1的阴极连接在电容c的另一端；
86.第二开关支路包括全控型器件t2，全控型器件t2的阳极连接在全控型器件t1的阴极，全控型器件t2的阴极连接在全控型器件t1的阳极。
87.在全控型器件电路中，全控型器件t1、t2均为igct，且全控型器件电路运行过程中，全控型器件t1、t2这些半导体器件，均为发热元件。
88.由于在直流输配电领域，全控型器件也称为固态开关，导通和关断直流电流由固态开关完成，因此本实施例中的直流断路器的拓扑采用的是固态直流断路器，与现有混合式直流断路器技术路线相比，无转移支路，拓扑及控制更简单，开断直流电流，无需电流转移环节，开断时间可由3ms (混合式直流断路器开断直流电流一般在2ms-3ms之间)降低到小于1ms，更有利于对直流系统运行稳定性的提高。
89.在本实施例中，如图6所示的，用于上述直流断路器的冷却装置包括冷却箱7、换热器5以及液体汇集机构，其中，
90.冷却箱7内装有冷却液，冷却液用于对直流断路器中的可控半导体组件3进行冷却，即可将大功率的可控半导体组件3整体浸没在冷却箱7内的冷却液中，从能由冷却液带走直流断路器运行过程中所带走的热量。
91.冷却箱7内可安装可控半导体组件3及其保护电路的载体；常温静止状态下，冷却液没过可控半导体组件3并超过一定的液位；冷却液为绝缘液体，示例性的，冷却液为电子氟化液，其沸点不大于60℃，介电强度不小于35kv，电阻率为10
15
ω/cm。
92.换热器5用于对冷却产生的冷却液蒸汽进行液化，换热器5设在冷却箱7内其中，换热器5热交换形式包括但不限于气液-水交换、气液-风交换和气液-自然空气交换；
93.在本实施例中，可控半导体组件3包括散热器4以及半导体器件8，其中，散热器4与半导体器件8压接，用于将半导体器件8产生的热量传递给冷却液。
94.在本实施例中，可控半导体组件3可由n个散热器4和n-1个可控半导体器件8通过一定的压接方式串联压接成一个整体，示例性的，例如若半导体器件8有四个，则散热器4有五个，则以一个散热器4为开始从散热器4的右边开始交错设置可控半导体器件8和散热器4(以散热器4结尾)，以这种方式，能将n个散热器4和n-1个可控半导体器件8形成一个整体。
95.需要了解的是，本实施中采用将可控半导体组件3整体浸没在冷却液中的方式，从而能将半导体器件8产生的热量传递给冷却液。
96.在本实施例中，散热器4可由一个导电材料制成，示例性的，导电材料可选择铝合金，铝合金制成的散热器的导电和散热性能都较为良好。
97.所述散热器4包括连接体13，所述连接体13上设有连接端14以及散热通道12；
98.在本实施例中，如图8所示的，对于整个连接体13的设置，具体如下：
99.所述连接体13包括但并不仅限于为长方体形状，所述连接体13上设有两个主面11以及第一侧面9、第二侧面10、第三侧面以及第四侧面；第一侧面9与第三侧面相对设置；第二侧面10与第四侧面相对设置。
100.在本实施例中，所述散热通道12贯穿连接体13，所述散热通道12的两端分别延伸至第一侧面9和第三侧面。所述散热通道12设有m个。m个所述散热通道12竖向并排设置。m为偶数，每两个相邻所述散热通道12之间形成散热片17；位于中间的所述散热片17厚度大于其他散热片17厚度，以作为支撑柱16(即位于中间的散热片17既具有散热，又具有应力支撑作用)。
101.在相距最大的两个所述散热通道12中，其中一个散热通道12靠近第二侧面10，另一个散热通道12靠近第四侧面；所述其中一个散热通道12 与第二侧面10之间以及另一个散热通道12与第四侧面之间，均形成支撑柱16。
102.在本实施例中，在与n-1个半导体器件8串联压接的n个散热器4中，首尾两个散热器4的连接体13上均设一个连接端14，其余散热器4的连接体13上均可以设有两个连接端14。
103.具体的，每个半导体器件8的两极(阴极和阳极)分别与散热器4的连接端14压接，示例性的，图6中，其中一个半导体器件8左边连接面作为半导体器件8的阴极，与半导体器件8靠近的左边散热器4的右边连接端14连接；其中一个半导体器件8右边连接面作为阳极，与半导体器件8 靠近的右边散热器4的左边连接端14连接。
104.在本实施例中，液体汇集机构，用于使液化后的冷却液汇集后流入冷却箱7中，其中，如图7所示的，液体汇集机构包括汇集管18以及两个回流板6，汇集管18安装在冷却箱7内，可控半导体组件3位于汇集管18的中间部分的上方，且还位于汇集管18的两端之间，两个回流板6分别连接在汇集管18的两端，具体的：
105.两个回流板6的上端均连接在换热器5的底部，且两个回流板6的上端分别位于换热器5底部的进气口两侧(回流板6能隔离冷却液气体与气体液化后的冷却液液体，实现冷热隔离)，两个回流板6上均设有汇集流道(例设在如图6中回流板6的倾斜上表面)，其中一个回流板6上的汇集流道与汇集管18一端的上端口连接并能与汇集管18相通，另一个回流板6上的汇集流道与汇集管18另一端的上端口连接并能与汇集管18相通。
106.通过上述液体汇集机构的设置，使得冷却液在吸热蒸发后形成的气体直接从换热器5底部的进气口进入换热器5并被换热器5进行液化后流出，液化后流出的冷却液液体能落入两个汇集流道中并被两个汇集流道汇集后，从汇集管18的两端流下。
107.汇集管18的中间部分还设有多个冲击流道15，多个冲击流道15分别设于多个散热器4的下方，因此，从汇集管18两端流下的液化后的冷却液，在重力的作用下，通过多个冲击流道15，自下而上流动至冷却箱7内，并且还能从多个散热器4的散热通道中畅通流动。
108.本实施例中，大功率的半导体组件3冷却方案为两相式(冷却液变成气体，再由气体变成液体)浸没冷却方案，具体实施方式为：
109.将可控半导体组件3整体浸没在冷却液中，并且将散热器的散热通道 12竖直向上，在冷却液自下而上循环流动时，确保冷却液在散热器4的散热通道12中畅通，从而促进冷却液循环。
110.可控半导体组件3运行过程中，导通直流系统中稳态直流电流，半导体器件8损耗产生的热量，通过传导的方式传递到散热器4，散热器4再通过传导的方式将热量传递给周围的浸没液体(冷却液)，浸没液体吸收热量后，温度升高，当温度升高达到液体沸点温度后，由液态变成气态，形成蒸汽，气体上升到换热器5中遇冷，蒸汽由气体变成液体，通过回流板6 回流到可控半导体组件3底部及散热器4周围，继续吸收散热器4传导出的热量，以此自然形成循环，带走可控半导体器件8产生的热量。
111.另一方面，本发明还提供一种用于直流断路器的冷却方法，包括：
112.利用冷却箱7内装有的冷却液，对直流断路器中的可控半导体组件3 进行冷却；
113.利用换热器5对冷却产生的冷却液蒸汽进行液化；
114.利用液体汇集机构使液化后的冷却液流入冷却箱7中。
115.在本实施例中，一种用于直流断路器的冷却方法各个步骤实现的功能以及实现方式与一种用于直流断路器的冷却装置中各部分的功能以及实现方式对应一致，因此，此处不再赘述。
116.本发明首次在压接式的大功率半导体器件散热领域利用了浸没液冷技术，使得直流断路器运行过程产生的热量被传递出去；首次将低沸点、高绝缘强度和高电阻率的氟化液作为冷却介质，应用到中低压直流配电网的大功率发热器件冷却系统中；首次采用两相式浸没冷却方案和利用液体蒸发热特性，提高冷却效率；首次采用整体浸没液冷(即可控半导体组件3 整体浸没在冷却液中)，利用冷却液的绝缘特性实现直流断路器的绝缘，不受环境温度、湿度、大气压等环境条件影响，实现了直流断路器及大功率电力电子器件长期户外等恶劣环境中运行。
117.尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。