冷卻水路系統(tǒng)均壓與絕緣

冷卻水路系統(tǒng)的均壓與絕緣研究華北電力大學(xué)2012年11月14日背景1冷卻系統(tǒng)是換流閥的一個(gè)重要組成部分，它將閥體上各元器件的功耗發(fā)熱量排放到閥廳外，保證IGBT運(yùn)行結(jié)溫在正常范圍。2冷卻水一般具有0.2-0.5的電導(dǎo)率，所以水在高壓情況下具有電氣效應(yīng)，對(duì)主電路的均壓和絕緣都會(huì)產(chǎn)生影響。3將各段水管中的水等效成電阻，簡(jiǎn)稱水電阻，建立水路系統(tǒng)等效電路。工作內(nèi)容1建立等效電路模型，計(jì)算水路系統(tǒng)各段水管電阻參數(shù)2根據(jù)等效電路模型仿真得出水路各處電壓、泄漏電流及電流密度等物理量，確定各IGBT組件承擔(dān)電壓，分析均壓性能3根據(jù)實(shí)際均壓情況，分析是否需要加入鉗位電極4分析考慮閥組件內(nèi)發(fā)生短路故障時(shí)的水路均壓和絕緣情況5針對(duì)水管與散熱器金屬接頭處利用有限元法計(jì)算電場(chǎng)強(qiáng)度分布IGBT水路主系統(tǒng)紅色箭頭表示進(jìn)水方向黃色箭頭表示出水方向R1、R進(jìn)水、R出水、R進(jìn)水’、R出水’表示如圖所示水管的等效電阻一、建立水路等效電路模型R出水’V11V12V13V43V42V41R出水R進(jìn)水’R進(jìn)水R1IGBTIGBTIGBTIGBT一、建立水路系統(tǒng)等效電路模型并聯(lián)冷卻：紅色表示冷卻水流進(jìn)出R2、R3表示如圖水管的等效電阻閥組件內(nèi)冷卻水流圖進(jìn)水出水R3R2一、建立水路等效電路模型水路等效電路R1、R2、R3、R進(jìn)水、R出水、R進(jìn)水’、R出水’——水路等效電阻RDC——均壓電阻V11~V13——V1三個(gè)串聯(lián)閥V41~V43——V4三個(gè)串聯(lián)閥一、建立水路系統(tǒng)等效電路模型閥組件冷卻水路等效電路圖紅色部分是電氣連接部分，黑色是水路等效圖，穩(wěn)態(tài)時(shí)不用考慮阻尼回路V111—V117是閥組件內(nèi)串聯(lián)連接的7個(gè)IGBTRDC并聯(lián)在IGBT兩端的兩個(gè)均壓電阻R2、R3是水路等效電阻一、建立水路系統(tǒng)等效電路模型水管編號(hào)計(jì)算實(shí)長(zhǎng)(mm)管內(nèi)徑(mm)冷卻水電導(dǎo)率（μS/cm）電阻(MΩ)R1204.6320.526.34701.4290.5R265270.52.27R3344.860.5243.9R進(jìn)水640.0740.52.98R出水640.0740.52.981856.2740.58.631916.2740.58.91水路等效電阻計(jì)算水路等效電阻是根據(jù)R=ρ*L/S算出的，水的電阻率都按最大值0.5us/cm取的閥組件內(nèi)均壓分析均壓電阻Rdc兩端的電壓即IGBT截止時(shí)兩端承受的電壓，經(jīng)過(guò)仿真，可得各個(gè)IGBT兩端的電壓相差最大沒(méi)超過(guò)10V，基本可認(rèn)為實(shí)現(xiàn)均壓V13V12V11編號(hào)電壓（v）V111953.7V112954.3V113955V114955.8V115956.8V116957.8V117959.1編號(hào)電壓（v）V121952.5V122950.8V123949.4V124948.6V125948.4V126948.7V127949.6編號(hào)電壓（v）V131951.5V132950.2V133948.9V134948.3V135948.1V136948.6V137949.5二、均壓分析閥組件間均壓分析V1截止，V4導(dǎo)通時(shí)，水路主系統(tǒng)等效電路如圖所示這里畫(huà)的閥組件用的是簡(jiǎn)化模型，實(shí)際仿真是用的是完整閥組件模型，每個(gè)IGBT都有列出。二、均壓分析閥組件間均壓分析V1三個(gè)閥組件V11、V12、V13截止時(shí)的電壓分別是均壓電阻兩端電壓經(jīng)過(guò)仿真，如下表閥段編號(hào)兩端承受電壓（v）V116692V126655V136651由表3可以看出，V11、V12、V13三個(gè)閥組件電壓相差最大不超過(guò)50V，平均到各個(gè)IGBT的電壓差很小，也可認(rèn)為基本實(shí)現(xiàn)均壓。閥組件內(nèi)冷卻水管電氣參數(shù)和電流水阻阻值/MΩ端電壓/V電流/μA電流密度A/m2支水管R31108.41066.79.840.15支水管R32108.41342.012.380.19支水管R33108.41628.215.020.24支水管R34108.41931.717.820.28支水管R35108.42252.620.780.33支水管R36108.42594.023.930.38支水管R37108.42961.527.320.43支水管R38108.43356.130.960.49支水管R212.27337.1148.50.26支水管R222.27308.71360.24支水管R232.27274.71210.21支水管R242.27233.81030.18支水管R252.27186.982.320.14支水管R262.27132.558.350.10支水管R272.2770.4310.05二、均壓分析閥組件間冷卻水管電氣參數(shù)和電流水阻阻值/MΩ端電壓/V電流/μA電流密度A/m2R進(jìn)水2.976659221.40.0515R出水2.976470157.90.0367R進(jìn)水’8.631571182.00.0423R出水’8.911613181.00.0421R126.3386564249.20.3773上表分別為閥組件間水阻對(duì)應(yīng)的最大端電壓和電流。根據(jù)文獻(xiàn)提供的數(shù)據(jù)，在長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)行的情況下，換流閥層間的水管最大泄漏電流為4mA，對(duì)應(yīng)的最大電流密度是2.41A/m2。比此處的結(jié)果大，推斷此閥層間水路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了絕緣。二、均壓分析三、分析是否需要加入電極圖中，E11、E12、E21、E22為電極，S為散熱器，P為支水管。對(duì)于本系統(tǒng)，電壓等級(jí)不高，只有10kV，經(jīng)過(guò)計(jì)算和仿真，我們可以認(rèn)為閥組件間、閥組件內(nèi)都基本實(shí)現(xiàn)了均壓，說(shuō)明了靜態(tài)均壓電阻RDC起到了很好的均壓效果，所以考慮可以不加入電極。但是對(duì)以后的500kV系統(tǒng)就應(yīng)重新考慮是否加入電極。閥組件兩端對(duì)應(yīng)位置電極設(shè)置示意圖四、IGBT短路故障時(shí)水路分析當(dāng)V11閥組件內(nèi)部V114短路時(shí)閥組件內(nèi)部的等效電路四、IGBT短路故障時(shí)水路分析IGBT電壓IGBT電壓IGBT電壓V1111003V1211001V131999.6V1121004V122998.5V132997.7V1131005V123997.1V133996.4V1140V124996.2V134995.7V1151007V125996V135995.6V1161009V126996.3V136996.1V1171011V127997.2V137997.1V114后短路，各個(gè)IGBT兩端電壓都有所增高，幾十伏左右，但仍遠(yuǎn)小于IBGT截止時(shí)所能承受的2500V電壓。而且除了V114兩端電壓為零，其他IGBT兩端電壓分布均勻，可認(rèn)為實(shí)現(xiàn)均壓。閥組件內(nèi)均壓分析四、IGBT短路故障時(shí)水路分析水阻阻值MΩ端電壓V電流μA電流密度A/m2R31243.91062.39.80.15R32243.91615.214.90.23R33243.92200.520.30.32R34243.92840.126.20.41R35243.92525.723.30.37R36243.93273.730.20.47R37243.94086.737.70.59R38243.94997.246.10.72R212.27451.71990.35R222.27417.71840.32R232.27372.31640.29R242.27311.01370.24R252.27258.81140.20R262.27190.7840.15R272.27104.646.10.08此處的最大電流密度都小于2.41A/m2，推斷此時(shí)閥組件內(nèi)水路系統(tǒng)仍實(shí)現(xiàn)了絕緣

四、IGBT短路故障時(shí)水路分析IGBT正常運(yùn)行V111短路V114短路V117短路V111954.7010031003V112955.2100210031003V113955.9100310041004V114956.9100401005V115958.2100510071007V116959.7100610081008V117961.5100710100不同IGBT短路時(shí)閥組件內(nèi)電壓對(duì)比不同IGBT短路時(shí)，除了被短路的IGBT，其他電壓情況變化不大。而且其他IGBT兩端電壓變化不大，分布均勻，可認(rèn)為短路時(shí)實(shí)現(xiàn)均壓。四、IGBT短路故障時(shí)水路分析當(dāng)發(fā)生某個(gè)IGBT短路時(shí)，閥組件內(nèi)水管電流密度最大不超過(guò)0.5A/m2，與正常運(yùn)行時(shí)相差不大。仍可實(shí)現(xiàn)絕緣五、水管與散熱器接頭處絕緣與腐蝕分析水管與散熱器兩種接頭（a）金屬外套接（b）金屬內(nèi)套接五、水管與散熱器接頭處電場(chǎng)分析有限元建模時(shí)取細(xì)水管R3一段的直線段部分約12mm，與之連接的金屬水管的電位取10kV，另一端的電位經(jīng)分壓計(jì)算約為9.884kV水管與散熱器連接時(shí)，是以細(xì)水管套接在散熱器的金屬管內(nèi)，下面分析水管與金屬管接頭處的電場(chǎng)強(qiáng)度。有限元建模圖五、水管與散熱器接頭處電場(chǎng)分析電場(chǎng)線圖電場(chǎng)局部云圖金屬外套接結(jié)果圖五、水管與散熱器接頭處電場(chǎng)分析水管邊界電場(chǎng)變化曲線金屬水管電場(chǎng)變化曲線電場(chǎng)強(qiáng)度最大為197kV/m，出現(xiàn)在塑料水管處，遠(yuǎn)小于塑料水管的擊穿場(chǎng)強(qiáng)3000kV/m。金屬接頭處最大場(chǎng)強(qiáng)是3.5kV/m，電流密度為0.175A/m2金屬外套接結(jié)果圖五、水管與散熱器接頭處電場(chǎng)分析電場(chǎng)線圖電場(chǎng)局部云圖金屬內(nèi)套接結(jié)果圖五、水管與散熱器接頭處絕緣與腐蝕分析水管邊界電場(chǎng)變化曲線電場(chǎng)強(qiáng)度最大為57.76kV/m，出現(xiàn)在金屬水管處，電流密度為2.88A/m2金屬內(nèi)套接結(jié)果圖套接聯(lián)接金屬管外套接出現(xiàn)部位金屬細(xì)水管最大電場(chǎng)強(qiáng)度（kV/m）3.5197最大電流密度（A/m2）0.1759.85金屬管內(nèi)套接出現(xiàn)部位金屬細(xì)水管最大電場(chǎng)強(qiáng)度（kV/m）57.765.7最大電流密度（A/m2）2.880.285五、水管與散熱器接頭處絕緣與腐蝕分析兩種接頭方式對(duì)比總結(jié)1經(jīng)過(guò)初步分析，水路閥組件內(nèi)各IGBT所承擔(dān)電壓不