直流融冰裝置風冷散熱器優化設計

張露松 許逵 余興紅 陳宇 蔡恒

摘要：為了改善晶閘管的散熱性能，對直流融冰裝置的風冷散熱器的結構進行了優化設計，對優化后的散熱器溫度場進行了有限元仿真，并通過溫升試驗來驗證其能滿足晶閘管的散熱需求，溫升仿真和試驗共同表明了所設計的風冷散熱器的散熱性能滿足設計要求。

關鍵詞：直流融冰裝置;風冷;散熱器;優化設計;有限元仿真

0 引言

直流融冰裝置能夠有效消除附著在電網輸變電設備上的冰雪，因而能夠較大程度地避免冰雪災害對電網帶來的重大損失[1-2]。

直流融冰的基本原理是將系統的交流電轉化為直流電，然后利用直流電對輸電線路進行加熱來融化冰雪[3]。

晶閘管是直流融冰裝置的關鍵部件之一[4]，晶閘管作為一種大功率的半導體元器件，在工作時會因電流通過而發熱，若溫度過高，超過一定閾值，會導致晶閘管的性能下降，甚至燒毀。為了保證融冰裝置的穩定運行，晶閘管的溫度不能超過閾值，因此設計有效的散熱器是保證直流融冰裝置穩定運行的關鍵。

晶閘管主要的冷卻方式有水冷和風冷[5-6]，水冷散熱效果好，但需購置水冷設備，占地面積大，并且水冷直流融冰裝置內部水管與線路交錯復雜，不便于維護與檢修。本文優化設計的對象是某工程融冰裝置晶閘管風冷散熱器，與水冷相比，風冷裝置更節省占地，維護更加簡便，并且沒有漏水的風險。

1 晶閘管傳熱原理

晶閘管在運行時，通態時的功率損耗導致晶閘管內部P-N結處產生大量的熱量，為了使晶閘管迅速降溫，通常在晶閘管兩側壓裝風冷散熱器[7]，如圖1所示。

熱量首先由晶閘管內部的P-N結（j）傳導至管殼（c），其熱阻[8]表示為Rjc，然后熱量從管殼（c）傳導至風冷散熱器（h），其熱阻表示為Rch，最后熱量從風冷散熱器（h）傳導至周圍的空氣（a），其熱阻表示為Rha。由于晶閘管管殼傳導給周圍空氣的熱量相對較少，因此不考慮它們之間的熱阻，所以，整個熱傳導過程中的總熱阻R為：

R=Rjc+Rch+Rha

其中，熱阻的單位為攝氏度每瓦（℃/W）。

本文通過優化風冷散熱器的結構來降低熱阻Rha，從而提高晶閘管的散熱性能。

2 有限元仿真分析

2.1? ? 風冷散熱器結構

晶閘管和風冷散熱器是通過工裝壓裝在一起的，由于工裝的限制，長度方向有250 mm的距離，但還需要預留檢修空間，因此確定風冷散熱器的長度為200 mm。本工程是移動融冰裝置，融冰裝置是放置在集裝箱內，因此高度方向有限制，風冷散熱的高度為105 mm，而寬度方向由于風道結構的約束，風冷散熱器的寬度確定為180 mm。散熱器在裝置中不僅需要為晶閘管散熱，還需要為結構提供強度，承受裝置的較高壓力，散熱器整體材質為兼顧散熱效率和結構強度的工業鋁材6063。風冷散熱器的結構如圖2所示。

散熱器中間風道間隔布置翅片，可以增大散熱面積，提高風冷的散熱效果。

2.2? ? 邊界條件與網格劃分

本文利用有限元軟件ANSYS的Icepak模塊來對風冷散熱器進行仿真計算。首先將風冷散熱器三維模型導入到ANSYS中，建立合適的流體域，如圖3所示。為使有限元模型與實際情況盡可能相同，設計的流體計算域為最外側實線所包裹的長方體區域，計算域X軸方向的長度為200 mm，Y軸方向的長度為105 mm，Z軸方向的長度為380 mm。

根據本工程參數設置邊界條件，單個晶閘管的發熱功率為2 200 W，由于是雙側散熱，因此單側發熱功率為1 100 W。進風溫度按照環境溫度設定為20 ℃，風速為6.5 m/s。

在圖3中，1代表進風口，并設置Z軸方向的風速為6.5 m/s，溫度為20 ℃;2代表出風口，參數默認;3和4是模擬晶閘管發熱盤面設定的直徑為110 mm的面熱源，它們的發熱功率各為1 100 W。

邊界條件創建好之后進行網格劃分。本文采用的網格類型是六面體占優網格，模型的網格劃分結果如圖4所示。

劃分后，獲得了532 072個網格單元和557 172個網格節點，圖中所示網格質量的面對齊率為0.95，遠大于通常面對齊率一般要求的0.15，網格質量較好，可以進行下一步計算。

2.3? ? 散熱器溫升仿真計算

邊界條件和網格劃分完成后，進入計算步驟，通過迭代計算，當計算結果收斂時，獲得風冷散熱器的溫度場，如圖5所示。

通過溫度云圖可以看出，晶閘管與風冷散熱器接觸面處的溫度最高達到90.3 ℃，超出晶閘管的結溫閾值85 ℃較多，在此條件下長期運行，裝置會有風險，故需要對風冷散熱器的設計進行優化。

3 改進方案

3.1? ? 風冷散熱器結構優化

風冷散熱器的整體尺寸不能變化太大，因此在不改變風冷散熱器整體尺寸的條件下，在蓋板內設置了熱管來提高風冷散熱器的散熱性能。優化后的風冷散熱器如圖6所示。

3.2? ? 優化后散熱器溫升仿真

根據上文所述的散熱器仿真邊界條件，對優化后的風冷散熱器進行仿真計算，得到散熱器溫度云圖，如圖7所示。

從圖7可以看出，進風溫度按照環境溫度設定為20 ℃，風速為6.5 m/s，風冷散熱器工作時的表面最高溫度為80.9 ℃，未超過晶閘管結溫閾值。

3.3? ? 溫升試驗

對優化后的風冷散熱器進行了樣品試制，并開展了溫升試驗，試驗平臺如圖8所示。

測試時在距離散熱器出風口30 mm處設置了風速儀，采用加熱管來模擬晶閘管發熱，為了更好地達到均溫的目的，使用5根加熱管，發熱面積與晶閘管相同，單面發熱功率1 100 W。散熱器底板開槽，將感溫線埋于底板內，并確認探點與鋁板接觸良好。

測試環境溫度為32 ℃，試驗數據如圖9所示，風速為6.5 m/s的時候散熱器表面的最高溫度為89.7 ℃，此時散熱器表面最高溫度與環境溫度的溫差為57.7 ℃，第3.2節仿真結果與環境溫度的溫差約60.9 ℃，誤差為5.3%，考慮到仿真與試驗的條件存在偏差，本文認為誤差在可接受的范圍內，因此優化后的風冷散熱器在散熱性能方面滿足設計要求。

4 結語

本文根據某工程直流融冰裝置晶閘管的散熱需求，對風冷散熱器進行了初步設計和溫升仿真計算，針對仿真結果不滿足設計要求的情況，對散熱器進行了結構性能上的優化，并通過樣品試制驗證了優化后風冷散熱器的散熱性能，最終設計出滿足該融冰裝置的散熱器。

[參考文獻]

[1] 傅闖，饒宏，黎小林，等.直流融冰裝置的研制與應用[J].電力系統自動化，2009，33（11）：53-56.

[2] 傅闖，許樹楷，饒宏，等.交流輸電系統直流融冰裝置設計及其應用[J].高電壓技術，2013，39（3）：705-711.

[3] 姚致清，劉濤，張愛玲，等.直流融冰技術的研究及應用[J].電力系統保護與控制，2010，38（21）：57-62.

[4] 熊輝，邵云，顏驥，等.基于Fluent的6英寸晶閘管水冷散熱器設計及優化[J].大功率變流技術，2013（4）：22-27.

[5] 丁杰，張平.晶閘管水冷散熱器的熱仿真與實驗[J].機械設計與制造，2016（7）：177-180.

[6] 倪裕康，鄭斌毅.晶閘管新型冷卻方式的研究與應用[J].華東電力，2012（7）：1262-1264.

[7] 萬和勇，李小國.提高大功率柜晶閘管散熱效果的主要途徑[J].電力電子技術，2002，36（2）：13-15.

[8] 藍元良，湯廣福，印永華，等.大功率晶閘管熱阻抗分析方法的研究[J].中國電機工程學報，2007，27（19）：1-6.

收稿日期：2020-07-07

作者簡介：張露松（1981—），男，貴州大方人，工程師，研究方向：高電壓及電網防冰技術。

通信作者：蔡恒（1992—），男，江蘇蘇州人，碩士，工程師，研究方向：電力設備設計。