一種高壓防爆SVG用水冷卻裝置的設計

姜源，李虎，苑令華

(1.兗礦東華重工有限公司 鄒城爐具制造分公司， 山東 鄒城 273500； 2.兗州東方機電有限公司， 山東 鄒城 273500)

0 引言

礦用隔爆兼本質安全型鏈式靜止無功發生器(SVG)應用于煤礦井下爆炸性環境中，可補償無功電流，穩定電源電壓，改善設備供電環境，近年獲得廣泛應用[1]。受設備防爆設計影響，井下設備的散熱系統設計受到諸多制約，如何在保證防爆性能的前提下做好散熱系統設計，保證高壓設備串聯模組間及對地電氣絕緣設備安全、穩定運行，是設計防爆型電力電子設備時必須考慮的問題。

礦用隔爆兼本質安全型鏈式靜止無功發生器水冷散熱裝置的主要作用是對功率元器件(IGBT)進行散熱[2-3]。功率器件運行的穩定性決定了整個SVG的運行性能，而溫度對功率器件的性影響較大，因此，散熱裝置的散熱性能直接決定了SVG的性能和可靠性。

本文設計的礦用高壓隔爆SVG水冷卻裝置[4]，用于礦用高壓隔爆SVG功率器件的散熱。該裝置包括內水循環水路、外水水路、水-水板式熱交換器，內水循環水路和水-水板式換熱器安裝在防爆殼體內，外水水路接口預留在防爆殼體面上，兩循環水路通過水-水板式熱交換器交換熱量，靜止無功發生器殼體內散發的熱量直接通過外水水路帶出。

1 工作原理

該水冷卻裝置水路分為內水循環水路和外水循環水路，如圖1所示。內水循環水路中冷卻介質由主循環泵升壓后流經水-水板式換熱器，得到冷卻后，進入被冷卻器件、將熱量帶出，然后回到主循環泵，形成密閉式往復循環。水-水板式換熱器作用是將內冷卻水的熱量交換給外循環水，由外循環水將熱量帶出。

圖1 水冷卻裝置系統原理框圖

IGBT模組、內水循環水路位于防爆殼體內部，通過不銹鋼管道與外部供水部分連通，不銹鋼管道及連通區域與防爆殼體一并進行爆炸試驗測試，確保滿足防爆性能要求。內水采用去離子水，并設置去離子裝置，解決了散熱系統對高壓SVG各項串聯模組間及對地絕緣性的影響。

2 系統組成

水冷卻裝置系統由外循環水路、水-水板式換熱器、內水循環水路、控制檢測部分組成,其結構組成如圖2所示。

圖2 水冷卻裝置系統組成圖

2.1 外循環水路

外循環水路包括外水壓力變送器、外水溫度壓力變送器、水泵、散熱風機,外循環水路圖如圖3所示。從熱源出來的熱水通過一個水風換熱器降溫，進入儲水水箱，經泵增壓后送出，循環利用。當循環系統發生故障時，熱水可以手動切換，直接送給熱源，回流的熱水排出，不循環利用。為滿足設備的防爆性能要求，外水水路通過不銹鋼管與水-水板式換熱器相連接，外接冷卻水可接至井下供水管路。

圖3 外循環水路圖

2.2 內水循環水路

內水循環水路由水冷系統本體和內循環水管路組成，水冷系統本體主要由冷卻水循環水路(主循環泵、主循環過濾器、脫氣和穩壓裝置、補氣裝置、電加熱器及各壓力、溫度變送器)、電動三通閥、去離子回路(離子過濾器和精密過濾器)、注/排水回路構成,內水循環水路見圖4。外部管路部分包括被冷卻器件供水管路、回水管路及控制閥。

1-板式換熱器;2-循環泵;3-加熱器;4-閥門;5-緩沖器;6-離子交換器

冷卻水循環水路主要由主循環泵、主循環過濾器、脫氣和穩壓裝置、補氣裝置、電加熱器、各種控制閥門及壓力、流量、溫度檢驗變送器組成。

為避免系統在運行過程中產生的氣體導致主循環泵汽蝕，在密閉式純水冷卻系統中配置脫氣罐。由于環境溫度的變化會造成系統水容積的變化，因此需要一個穩壓系統來緩沖冷卻介質因溫度變化引起的體積變化。本裝置將脫氣和穩壓裝置合并成緩沖罐，流經被冷卻器件水冷板的換熱介質在進入主循環泵之前先進入緩沖罐，由于流入緩沖罐后流速降低，使得流體介質中的氣體得以分離析出。緩沖罐內預充空氣，緩沖冷卻介質的體積變化。

電動三通閥的作用是調節流經空氣散熱器的冷卻水流，用于冬天溫度低及被冷卻器件低負荷運行時的冷卻水溫度調節，避免冷卻水溫度過低。

去離子回路并聯于主循環回路中，包含離子過濾器和精密過濾器。通過對冷卻介質中離子的不斷脫除，達到長期維持極低電導率的目的。離子交換樹脂采用非再生樹脂，專用于微量離子的去除。

水冷裝置內置補液接口，初次使用或緩沖罐液位降低至補液液位時，需將補液泵接入補液接口，進行補液。機械式補液泵另置于水冷裝置外部。為方便檢修、維護及保養，水冷系統管道的最低位置處設置了泄空閥，方便排除系統中的冷卻介質。

2.3 水-水板式換熱器

水-水板式換熱器由不銹鋼板片將熱水管路和冷水管路重疊壓制而成，水冷系統正常工作時，熱水被輸送入板式換熱器熱側通道，通過不銹鋼板片將熱量傳遞到板式換熱器冷側通道內的外循環介質(外水)中。水-水板式換熱器結構示意圖見圖5。

圖5 水-水板式換熱器結構示意圖

2.4 控制及檢測系統

冷卻系統中各機電單元及傳感器由PLC自動監控運行，實現水冷系統的采樣、監控及通信功能，采用MODBUS總線方式通信，在線運行參數可在人機界面實時顯示，控制流程見圖6。系統運行參數和報警信息即時傳輸至被冷卻器件的主控制器，并可通過主控制器遠程操控水冷系統，實現冷卻系統與主機無縫接合。

對實時性要求較高的遠程控制信號和水冷系統報警信號通過開關量接點與被冷卻器件監控系統進行通信，對信息量較大的在線參數、設備狀態監測及水冷系統報警信息通過MODBUS方式與被冷卻件監控系統進行通信。

開關輸入量主要包括遠程啟動/停止水冷信號，開關輸出量主要包括預警、跳閘、水冷啟/停狀態、水冷系統綜合故障、直流控制點掉電及請求停水冷等信號。

圖6 控制流程圖

3 系統應用

該水冷卻裝置適用于礦用防爆高壓靜止無功發生器、礦用防爆高壓變頻器等采用低壓單元串聯形成高壓電力電子設備。圖7是該裝置應用于兗礦集團的3.3 kV、2.5MVAR礦用隔爆兼本質安全型鏈式靜止無功發生器的實物照片。實際應用結果表明，該系統完全滿足防爆SVG的散熱要求，滿足高壓系統對地絕緣的要求，并且該水冷系統體積小，滿足井下狹小密閉空間的散熱要求。

1-備用泵;2-主循環泵;3-補水箱

4 結論

本文介紹了一種礦用防爆SVG用水冷卻裝置，詳細地描述了該系統的工作原理及系統組成。該系統的成功應用滿足了防爆SVG功率等級不斷增大的需求，解決了散熱系統影響高壓SVG各項串聯模組間及對地絕緣性的問題。該水冷卻系統散熱效率高，能夠提高鏈式靜止無功發生器裝置運行的可靠性，能夠延長設備使用壽命。

相比強迫風冷裝置，該系統噪聲較小，實現了全封閉系統設計，能夠較好地適應煤礦等類似的惡劣運行條件。水冷系統結構和控制簡單，大幅縮小了礦用隔爆鏈式靜止無功發生器的體積。該系統在礦用高壓防爆SVG中有很好的應用前景。