柔直換流閥用相變冷卻工質擊穿特性研究

溫英科 阮 琳,2

柔直換流閥用相變冷卻工質擊穿特性研究

溫英科1阮 琳1,2

（1. 中國科學院電工研究所 北京 100190 2. 中國科學院大學 北京 100049）

相變冷卻技術冷卻效率高、安全可靠，有望攻克柔直換流閥散熱瓶頸，實現其高壓、大容量發展，在換流閥冷卻領域具有良好的應用前景。為實現相變冷卻換流閥絕緣系統可靠設計，該文設計研制了三相態相變冷卻工質可調頻絕緣特性測試專用平臺，并以換流閥用相變冷卻工質為研究對象，依據換流閥典型運行工況，利用專用測試平臺開展了相變冷卻工質三相態、50～300 Hz頻率范圍的絕緣擊穿特性研究。得到了相變冷卻工質擊穿特性隨工質相態及電壓頻率的變化規律，分析了相變冷卻工質不同相態的擊穿機理，揭示了工質相態和電壓頻率變化對冷卻工質擊穿特性的影響機制。研究工作不僅解決了高頻下相變冷卻工質的三相態耐壓測試方法問題，且所得研究成果為相變冷卻柔直換流閥的絕緣設計奠定了基礎，同時可指導相變冷卻技術在其他電力電子器件及裝備上的應用。

換流閥 柔性直流輸電 相變冷卻 擊穿特性 高頻絕緣

0 引言

隨著可再生能源的快速發展及其電能輸送需求的不斷提升，柔性直流輸電技術廣受關注，高壓、大容量是其發展趨勢[1]。柔直系統輸送容量主要受其核心部件絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）結溫的限制，溫度過高、溫度梯度過大以及長期熱循環造成的疲勞退化都可能引發IGBT失效，進而威脅柔直輸電系統的安全運行[2-3]。強化換流閥散熱、控制IGBT模塊溫度水平，是實現安全可靠輸電的重要保障和前提。

目前柔直換流閥多采用水冷散熱，依靠冷卻水比熱吸熱帶走熱量，換熱能力有限。水冷系統在均壓電極、水管接頭等部位易發生腐蝕結垢，垢樣堵塞會降低系統冷卻效率，嚴重的可燒毀電氣元器件，甚至引發火災。為保障系統絕緣，內冷水需保持極高的純度，但系統在長期運行中，內冷水易與金屬管道發生電化學反應，產生導電離子破壞其絕緣性能。此外，循環管路運行壓力高，冷卻水泄漏風險高，系統存在安全隱患。同時水冷系統需配備水處理、循環泵等設備，系統復雜，可靠性低[4-5]。據南方電網公司統計，2015年換流閥及閥冷系統共發生3次故障，其中閥冷系統故障1次；發生15次緊急重大缺陷，其中9次由冷卻系統導致。因此，探索新型高效的冷卻方式以彌補水冷技術的不足對提升柔直系統輸送容量及可靠性具有重要意義。

相變冷卻技術利用高絕緣、沸點適中、安全穩定的環保有機工質受熱沸騰時的氣化潛熱帶走熱量，換熱效率遠高于水冷方式，被冷卻部件溫升低，溫度分布均勻。工質循環系統運行壓力接近常壓，降低了管路泄漏風險；同時相變冷卻工質絕緣性能好，不燃不爆，從根本上避免了工質泄漏造成的安全隱患，系統可靠性高。無需水處理設備，系統結構簡單；無需循環泵，系統自適應、自循環、能耗低。目前相變冷卻技術已成功應用于發電設備[6-8]、低壓電器設備[9]、大科學儀器[10]、IT設備[11]等領域，并已在電力電子裝置[12-16]領域實現示范應用。相變冷卻技術可實現高功率密度電力電子裝備的高效冷卻，有望為攻克柔直換流閥散熱瓶頸及可靠性問題提供解決方案。

換流閥采用相變冷卻技術，有機工質在換熱原理、材料屬性等方面與冷卻水有本質區別。其最突出的特征為有機工質利用相變潛熱實現高效散熱，這意味著系統運行中，相變冷卻工質并不是以單一液相存在，而是根據熱源分布及冷卻結構在系統不同空間位置液相、氣液兩相及純氣相工質三種工作相態（后文簡稱“三相態”）相互轉化，自主調節，動態共存，每種工作相態又對應不同的工質主流溫度及沸騰強度，工質運行狀態復雜。

液相工質中氣泡的產生會降低冷卻工質絕緣強度，存在引發絕緣問題的風險[17]。在發熱量集中的功率器件附近，冷卻工質經常運行于氣液兩相狀態甚至純氣相狀態，形成了系統絕緣的薄弱環節。因此冷卻工質的三相態絕緣擊穿特性是相變冷卻技術工程應用中重點關注的性能之一。中科院電工所牛文豪等設計了制冷用氟碳介質熱致氣液兩相流擊穿電壓測量裝置，得到了不同熱流密度、不同系統壓力下氟碳介質液相、氣相及兩相流狀態的工頻擊穿電壓特性，分析了氣泡對擊穿過程的影響，初步證明了環保型氟碳介質在變壓器、氣體絕緣輸電管道（Gas Insulated transmission Line, GIL）等領域替代SF6氣體的可行性[18-20]。華北電力大學莫申揚等研究了相變冷卻技術應用于高壓功率器件封裝中的絕緣問題，測試得到了FC-72工質兩相流的局部放電統計特性，分析了氣泡運動對兩相流放電特性的影響，并開展了相變冷卻工質不同相態下的工頻擊穿特性研究[21-23]。

已有研究表明，目前相變冷卻工質擊穿特性研究尚未形成統一的實驗方法，需要依據實際應用中的熱源及電場分布情況通過特定的實驗裝置對冷卻工質狀態及電場進行模擬。現有公開文獻中針對相變冷卻工質擊穿特性的研究均在工頻下展開，然而對于換流閥及大多數電力電子裝備，其通常運行于高于工頻的某頻率點或頻率區間。當前工程中柔直換流閥多采用模塊化多電平換流器（Modular Multi-level Converter, MMC）拓撲，其功率器件開關頻率的典型值為100～300 Hz[24]，循環流動的相變冷卻工質需要承受相應頻率的電壓負荷，電壓頻率的變化同樣會對工質的擊穿特性產生影響，顯然僅研究工頻下相變冷卻工質的擊穿特性不足以指導實際工程應用。分析并掌握冷卻工質不同相態、不同頻率下的絕緣擊穿特性是對換流閥相變冷卻系統進行絕緣設計、保證系統可靠運行的前提，對相變冷卻技術在電力電子裝備領域的成功應用至關重要。

本文以某環保型室溫相變冷卻工質為研究對象，依據柔直換流閥運行頻率區間，開展相變冷卻工質擊穿特性研究。由于相變冷卻工質的強揮發性及變頻測試需求，本文首先設計并搭建三相態相變冷卻工質可調頻絕緣特性測試專用平臺，進而得到相變冷卻工質三相態、50～300 Hz頻率范圍內的絕緣擊穿特性變化規律，在此基礎上分析相變冷卻工質不同相態的擊穿機理，以及工質相態和電壓頻率變化對冷卻工質擊穿特性的影響機制。

1 實驗平臺及實驗方案

1.1 實驗平臺

三相態相變冷卻工質可調頻絕緣特性測試平臺如圖1所示，平臺由可調頻耐壓測試源、冷卻工質三相態耐壓測試腔體及監測系統三部分構成。

圖1 三相態相變冷卻工質可調頻絕緣特性測試平臺

耐壓測試源與三相態耐壓測試腔體相連接，對相變冷卻工質施加測試電壓。耐壓測試源可實現輸出電壓頻率、幅值、上升速率、過電流保護值的調節，輸出電壓頻率為50～300 Hz；輸出電壓有效值為0～80 kV；升壓速率為50 V/s～2 kV/s；過電流保護值為1～20 mA。限流電阻用于對系統擊穿瞬間的擊穿電流進行限幅，保護測試設備，同時防止擊穿電流過大引起冷卻工質分解。

三相態耐壓測試腔體密封性良好，前后設置觀察窗為冷卻工質擊穿測試提供密封、可視化條件，且腔體結構滿足高頻絕緣要求，如圖2所示。

圖2 冷卻工質三相態耐壓測試腔體

耐壓測試腔體內設有加熱系統，含2塊鋁加熱塊及1塊陶瓷加熱塊。鋁加熱塊位于腔體內兩側邊緣，用于調節冷卻工質主流溫度；陶瓷加熱塊位于電極正下方，用于控制電極區域冷卻工質熱流密度，使冷卻工質處于不同沸騰狀態，熱流密度可由陶瓷加熱塊功率除以陶瓷加熱塊表面積得到。攪拌裝置浸沒于電極正前方冷卻工質中，用于兩次擊穿之間的介質攪拌，使其絕緣恢復。測試腔上方安裝調壓閥，通過調節調壓閥開關狀態及冷凝器冷卻水流量控制腔體壓力。

監測系統包括壓力溫度采集裝置、攝像頭、示波器等，實現測試腔體內部壓力、工質溫度、工質沸騰狀態、輸出電壓波形質量及電壓值監測。冷卻工質內以點陣方式空間均勻排布5個熱電偶測溫點，實現冷卻工質溫度實時監測。

實驗用圓盤形平行板電極按照電力行業標準DL 429.9—1991《絕緣油介電強度測定法》制造，如圖3所示。當耐壓測試源輸出電壓頻率增加時，由于系統分布電容效應逐漸凸顯，導致輸出電壓最大值降低。為保證高頻測試時電極間冷卻工質可靠擊穿，實驗設置電極間距為1.5 mm。由于電極間電場為均勻電場，且本文所有測試均是在相同電極間距下完成，故所得相態、頻率變化對冷卻工質擊穿特性影響相關結論具有普適性。

圖3 實驗用圓盤形平行板電極

1.2 實驗方案

使用三相態相變冷卻工質可調頻絕緣特性測試平臺，以柔直換流閥用環保型室溫相變冷卻工質為研究對象，開展液相不同溫度、氣液兩相不同熱流密度及純氣相工質狀態下，50～300 Hz頻率范圍內的冷卻工質絕緣擊穿特性測試研究。所選用冷卻工質在一個標準大氣壓下的沸點溫度為47.6℃，實驗設定各工質狀態見表1。

液相及氣液兩相工質擊穿測試時，介質液面應沒過高壓套管下方金屬電極，測試過程保持液面高度不變，腔體壓力維持一個標準大氣壓。氣相工質擊穿測試時，通過排除腔體內空氣、調節水量、控制液面高度，確保電極間為工質全蒸汽狀態且腔體內壓力保持一個標準大氣壓。

表1 相變冷卻工質實驗狀態

Tab.1 Experimental states of phase change coolant

為得到擊穿電壓分布規律，每種工況下至少進行42次擊穿測試，每兩次擊穿之間對冷卻工質進行攪拌，使冷卻工質絕緣恢復。

2 實驗結果

2.1 擊穿特性隨工質相態的變化

基于工頻實驗數據，將表1中各相態工質的擊穿電壓取平均值，并與擊穿電壓實測值同繪于圖中，可得冷卻工質工頻擊穿電壓隨相態的變化如圖4所示。

圖4 冷卻工質工頻擊穿電壓隨相態的變化

由圖4可知工質不同相態的絕緣擊穿特性如下：

1）液相擊穿：隨著工質溫度的上升，液相工質擊穿電壓平均值略有下降，擊穿電壓最大值有較明顯的降低，擊穿電壓數據分散程度逐漸減小。

2）兩相態擊穿：隨著熱流密度的增加，氣液兩相工質擊穿電壓平均值由液相擊穿電壓逐漸向氣相擊穿電壓過渡，并趨于穩定。擊穿電壓數據分散度與熱流密度呈強相關，=0.83 W/cm2時擊穿電壓數據分散度與液相工質擊穿相當；=3.33～5.20 W/cm2時擊穿電壓數據分散度顯著增大；隨著熱流密度繼續增加，當≥6.52 W/cm2時數據分散度又逐漸減小。

3）氣相擊穿：氣相工質擊穿電壓平均值略低于氣液兩相態工質平均擊穿電壓。相對于液相擊穿及氣液兩相擊穿，氣相擊穿電壓數據分散度大大降低。

隨著電壓頻率的增加，冷卻工質擊穿特性隨相態的變化規律與工頻實驗數據一致，如圖5所示。為簡潔，圖中僅顯示各頻率下工質擊穿電壓平均值。

圖5 不同頻率冷卻工質擊穿電壓隨相態的變化

考慮擊穿電壓的分散性，為保證系統可靠度，工程中常取冷卻工質一定擊穿概率的電壓值為許用值，因此需對不同工作相態下冷卻工質擊穿電壓的概率分布特性進行統計分析。

目前，用于絕緣材料擊穿實驗的數據統計方法主要有Weibull分布、Gumbel分布和對數正態分布等[25]。已有研究表明[18,23]，雙參數Weibull分布可有效表征絕緣材料絕緣失效率隨電壓值的變化關系。雙參數Weibull分布概率密度函數及累積概率分布函數分別為

對式（2）兩邊取兩次對數，可得

現對冷卻工質不同工作相態下的工頻擊穿電壓實驗數據進行統計分析。

2.1.1 液相工質擊穿特性統計分析

液相工質擊穿前及擊穿瞬間如圖6所示。

圖6 液相工質擊穿

以36℃冷卻工質液相工頻擊穿電壓樣本為例，以為橫坐標，以為縱坐標，繪制擊穿電壓Weibull分布線性度檢驗圖如圖7所示。由圖7可知，擊穿電壓樣本數據線性度良好。以同樣的方法對其他溫度下液相工質擊穿電壓進行檢驗，均具有良好的線性度，故認為液相工質工頻擊穿電壓服從雙參數Weibull分布。

圖7 液相工質擊穿電壓Weibull分布線性度檢驗圖

不同溫度下液相工質工頻擊穿電壓統計分析結果如圖8、圖9所示。擬合所得Weibull概率密度分布及累積概率分布與樣本數據一致性良好。為簡潔，圖9中僅顯示24℃時工質擊穿電壓樣本數據。液相工質擊穿電壓分布范圍為26.6～54.4 kV。由圖9可知，當擊穿電壓大于43 kV時，相同電壓下擊穿概率隨工質溫度上升而增加；反之，當擊穿電壓較低時，擊穿概率隨工質溫度上升而下降。

圖8 各溫度液相工質工頻擊穿電壓概率密度分布

圖9 各溫度液相工質工頻擊穿電壓累積概率分布

表2 液相工質工頻擊穿電壓分布參數擬合

Tab.2 Breakdown voltage distribution parameters of liquid coolant

2.1.2 氣相工質擊穿特性統計分析

氣相工質擊穿前及擊穿瞬間如圖10所示。

圖10 氣相工質擊穿實驗

繪制氣相工質擊穿電壓Weibull分布線性度檢驗圖如圖11所示。擊穿電壓樣本數據線性度良好，服從雙參數Weibull分布。

圖11 氣相工質擊穿電壓Weibull分布線性度檢驗圖

氣相工質工頻擊穿電壓統計分析如圖12所示，擬合所得Weibull累積概率分布及概率密度分布與樣本數據一致性良好。氣相工質擊穿電壓分布范圍為20.6～22.4 kV。

圖12 氣相工質工頻擊穿電壓概率統計

表3 氣相工質工頻擊穿電壓分布參數擬合

Tab.3 Breakdown voltage distribution parameters of gas coolant

2.1.3 氣液兩相工質擊穿特性統計分析

氣液兩相工質不同熱流密度下工質沸騰狀態及擊穿瞬間如圖13所示。

圖13 氣液兩相工質擊穿實驗

以=0.83 W/cm2和=3.33 W/cm2時冷卻工質兩相態工頻擊穿電壓樣本為例，繪制擊穿電壓Weibull分布線性度檢驗圖，如圖14所示。當=0.83 W/cm2時，擊穿電壓樣本數據線性度良好，服從雙參數Weibull分布；≥3.33 W/cm2時，擊穿電壓不再服從雙參數Weibull分布，這是由于兩相態工質狀態的不穩定性及擊穿機理的復雜性導致的。

圖14 兩相工質擊穿電壓Weibull分布線性度檢驗圖

不同熱流密度下兩相態工質工頻擊穿電壓樣本概率密度分布如圖15所示。

兩相態工質擊穿電壓隨著熱流密度的增加，整體呈現下降趨勢，擊穿電壓分布特性與工質沸騰狀態強相關，并呈現如下規律：

1）=0.83 W/cm2時，熱流密度較小，電極周邊介質呈孤立泡狀流，工質擊穿電壓服從雙參數Weibull分布，此時氣泡對介質擊穿電壓影響不大。

圖15 兩相工質工頻擊穿電壓樣本概率密度分布

2）=3.33～5.02 W/cm2時，隨著熱流密度增加，電極周邊介質沸騰加劇，氣泡體積增大并相互碰撞，碰撞后破碎或匯聚成塊。工質可能出現多種擊穿過程：液相擊穿、一個或多個氣泡串聯液相擊穿、氣相擊穿，工質狀態不穩定，擊穿機理復雜。擊穿電壓均值大幅降低，數據分散度明顯增加，擊穿電壓不再服從Weibull分布。從圖15可知，擊穿電壓分布呈現“雙峰”特性，峰值1在22 kV左右，峰值2在45 kV左右。隨著熱流密度增加，擊穿電壓逐漸由峰值2向峰值1移動，表明氣泡在介質擊穿過程中的影響越來越顯著。

3）≥6.52 W/cm2時，電極周邊介質中含氣量繼續增大，兩電極間的氣相工質將液相工質排擠到電極表面，在電極中間形成較穩定的氣相通路，施加電壓后大氣泡在電場作用下拉長，貫通電極間隙擊穿。此時擊穿電壓較集中，隨熱流密度增加擊穿電壓均值略有降低，基本趨于穩定，并接近氣相擊穿電壓。

2.2 擊穿特性隨電壓頻率的變化

依據表1開展冷卻工質三相態、50～300 Hz頻率范圍的擊穿特性試驗研究。工質擊穿電壓平均值隨電壓頻率的變化如圖16所示。由圖16可知：

1）液相和氣相工質擊穿電壓平均值隨所施加電壓頻率的上升而下降。

2）氣液兩相工質條件下，當熱流密度較小（=0.83 W/cm2）及較大（=8.52 W/cm2）時，工質擊穿特性分別類似于液相工質和氣相工質擊穿特性，擊穿電壓平均值隨所施加電壓頻率的上升而下降。當=3.33～6.52 W/cm2時，工質擊穿電壓處于由液相擊穿電壓向氣相擊穿電壓的過渡狀態，擊穿電壓平均值隨著所施加電壓頻率的上升呈現先上升后下降的特點。

圖16 冷卻工質擊穿電壓均值隨頻率的變化

選取冷卻工質三種典型相態：液相24℃、氣液兩相=5.20 W/cm2及氣相，50～300 Hz頻率范圍的擊穿電壓數據進行統計分析。

2.2.1 液相工質不同頻率擊穿特性統計分析

24℃液相工質不同頻率下擊穿電壓均服從雙參數Weibull分布，各頻率擊穿電壓概率密度分布及累積概率分布如圖17、圖18所示。各頻率擊穿電壓Weibull分布尺度參數、形狀參數見表4。

圖17 液相工質不同頻率擊穿電壓概率密度分布

當=50～100 Hz時，擊穿電壓隨頻率上升變化不明顯；當=150～300 Hz時，擊穿電壓概率密度分布及累積概率分布隨頻率上升沿橫坐標向左側移動，下降，液相工質擊穿電壓隨頻率上升而降低，呈增加趨勢，擊穿電壓分散度隨頻率上升而下降，尤其當=300 Hz時，擊穿電壓分散度大大降低。

圖18 液相工質不同頻率擊穿電壓累積概率分布

表4 24℃液相工質不同頻率擊穿電壓分布參數擬合

Tab.4 Breakdown voltage distribution parameters of liquid coolant at 24℃

2.2.2 氣相工質不同頻率擊穿特性統計分析

氣相工質不同頻率下擊穿電壓同樣服從雙參數Weibull分布，各頻率下擊穿電壓概率密度分布及累積概率分布如圖19、圖20所示。各頻率擊穿電壓Weibull分布尺度參數、形狀參數見表5。

圖19 氣相工質不同頻率擊穿電壓概率密度分布

圖20 氣相工質不同頻率擊穿電壓累積概率分布

表5 氣相工質不同頻率擊穿電壓分布參數擬合

Tab.5 Breakdown voltage distribution parameters of gas coolant

當=50～300 Hz時，擊穿電壓概率密度分布及累積概率分布隨頻率上升沿橫坐標向左側移動，下降，氣相工質擊穿電壓隨頻率上升而下降；呈增加趨勢，擊穿電壓分散度隨頻率上升而下降。與液相擊穿相比，氣相擊穿電壓受頻率影響更加明顯，擊穿電壓值及其分散度均大幅降低。

2.2.3 氣液兩相工質不同頻率擊穿特性統計分析

氣液兩相工質擊穿電壓不再服從Weibull分布。當=5.20 W/cm2時，氣液兩相工質不同頻率下擊穿電壓樣本概率密度分布如圖21所示。隨著頻率上升，氣液兩相工質擊穿電壓最高值逐漸下降；擊穿電壓低值在50～150 Hz頻率區間逐漸上升，后在200～300 Hz頻率區間明顯降低。擊穿電壓分散度整體較大，與頻率變化無顯著關聯。

圖21 兩相工質不同頻率擊穿電壓樣本概率密度分布

3 討論與分析

3.1 氣相工質擊穿機理分析

電場作用下，氣體間隙中帶電粒子的產生與消失決定了氣相工質放電現象的強弱與發展。本文中，短間隙均勻電場中氣相工質擊穿過程可用湯遜理論解釋。由于受紫外線、宇宙射線等作用，氣相工質中總存在一些自由電子或離子。隨著電壓的升高，氣體間隙中的電場強度增加，自由電子在電場作用下從陰極向陽極作定向運動，在此過程中電子被加速而獲得動能，當其動能積累到一定數值后，與中性氣相工質分子發生碰撞引起中性氣相工質分子電離。電離產生出的新生電子又與初始電子一起繼續參與中性氣相工質分子的碰撞電離，從而使氣體間隙中的電子數目急劇增加，引發電子崩，導致間隙中氣相工質擊穿。此時氣體間隙中電流突增，在大氣壓下表現為火花放電，如圖10所示。

帶電粒子在電場作用下加速獲得的動能與質點電荷量、電場強度及碰撞前的行程有關，即

式中，為粒子質量；為粒子運動速度。

帶電粒子與中性氣相工質分子發生碰撞時，如氣相工質分子獲得的能量大于等于其電離能i，則會引起氣相工質分子電離。故發生碰撞電離的條件為

由式（6）可知，為產生碰撞電離，帶電粒子在碰撞前必須具備一定距離的自由程。增大帶電粒子自由程或提高電場強度，可提高碰撞電離及工質擊穿發生的概率。

3.2 液相工質擊穿機理分析

純凈液相工質擊穿機理與氣相工質擊穿機理類似。由于液相工質密度遠大于氣相工質，電子的平均自由程很小，不易積累到足以產生碰撞電離所需的動能，所以液相工質的擊穿場強遠大于氣相工質擊穿場強。然而實驗測試及工程應用中，液相工質難免混入微小氣泡或雜質，由于均勻電場下氣泡和懸浮雜質對擊穿過程的影響，液相工質擊穿電壓分散程度較大。相對而言，氣相工質擊穿過程基本不受氣泡和雜質影響，故擊穿電壓的分散性較小。

隨著工質溫度的升高，一方面液體體積膨脹密度減小，電子平均自由程增加；另一方面液體分子勢能增加，在電子的碰撞下較易發生電離，故溫度上升有利于碰撞電離的產生及發展，因此液相工質擊穿電壓最大值隨溫度上升有較明顯的降低，擊穿電壓數據分散度隨之逐漸減小。圖9顯示，當擊穿電壓較低時，擊穿概率隨工質溫度上升呈現降低趨勢。這主要是由于低擊穿電壓區域液相工質擊穿過程受氣泡和雜質影響較大，液體溫度較高時，測試腔內部加熱塊局部區域工質沸騰劇烈，腔體內工質流動加強，液流擾動不利于形成貫穿兩電極的“小橋”擊穿通道，故擊穿概率下降。

3.3 兩相態工質擊穿機理分析

當冷卻工質處于氣液兩相狀態時，平行板電極間形成氣液復合絕緣結構，兩相態工質擊穿是氣相工質擊穿和液相工質擊穿的級聯過程。

將氣泡界面簡化為液相工質和氣相工質的分界面，在此分界面兩側電場分布滿足

式中，l和g分別為液相工質和氣相工質相對介電常數；l和g分別為液相工質和氣相工質中電場強度分量；為分界面上的自由電荷面密度。當不考慮分界面上電荷分布時，有

可知氣泡中的電場強度與液相工質中的電場強度與各自的介電常數成反比分布。對于相變冷卻工質，氣相工質相對介電常數可視為1，液相工質相對介電常數通常大于1，所以氣泡內電場強度較大，同時氣相工質擊穿場強又遠小于液相工質擊穿場強，因此當放電通路上存在一個或多個氣泡時，電離首先發生于氣泡內部。當氣泡發生局部擊穿后，極板間的全部電壓施加在間隙間剩余的液相工質上，放電通道上液體絕緣距離降低，當液相工質中的場強超過其擊穿場強時，剩余液相工質被擊穿，至此整個電極間隙完全擊穿[19]。氣泡的產生將降低冷卻工質絕緣強度，由實驗數據可知，氣液兩相工質擊穿電壓平均值介于液相工質擊穿電壓平均值和氣相工質擊穿電壓平均值之間。

當=0.83 W/cm2時，熱流密度較小，此時電場作用下氣泡運動軌跡如圖22所示。由圖22可知，在電場作用下，原本豎直向上通過電極間隙的氣泡運動軌跡發生偏移，沿電極外側向兩邊散開偏離強電場區域，氣泡內電場強度無法達到電離條件，電極間仍為液相擊穿，故氣泡對工質擊穿電壓影響不大。隨著熱流密度增加，氣泡數量增多，體積增大，在電場力作用下氣泡依然可以通過電極間區域，故兩相態工質擊穿電壓均值受氣泡影響下降。由于擊穿通道的隨機性，極間擊穿可能出現液相工質擊穿、氣相液相工質級聯擊穿、氣相擊穿多種情況，故擊穿電壓不再服從Weibull分布，且擊穿電壓分散性顯著增大。當熱流密度較大時，電極區域被氣泡包裹，電極間形成較穩定的氣相通路，擊穿過程接近氣相擊穿，擊穿電壓分散度較小。

圖22 q=0.83 W/cm2時電場作用下氣泡運動軌跡

3.4 電壓頻率對冷卻工質擊穿特性影響分析

在具有穩定頻率為的正弦交變電場作用下，單位體積電介質中的功率損耗為

式中，為交變電場角頻率；0為真空介電常數；r為電介質相對介電常數；tan為介質損耗因數。

對于平行板電極間均勻電場區域的電介質，其總損耗功率為

式中，為介質體積；為電極所加電壓；為兩電極及極間介質所構成電容器的容值。

本文所用冷卻工質為非極性電介質，經實驗測試在50～300 Hz頻率范圍內，冷卻工質介電常數及介質損耗因數隨頻率的變化可忽略不計，介電常數與溫度呈負相關，介質損耗因數與溫度呈正相關。

由式（10）可知，對于液相工質及氣相工質擊穿，隨著電壓頻率的上升，電極間介質損耗增大，介質溫度上升，此時介質損耗因數也同步上升，介電常數雖稍有下降但無法影響介質損耗及溫升的增長趨勢，故電極間介質發熱體積膨脹，密度減小。由上文分析可知，密度減小使得帶電粒子平均自由程增加，有助于碰撞電離的發生，故冷卻工質擊穿電壓下降。由于氣相工質體積膨脹系數大于液相工質，因此氣相工質擊穿電壓受頻率的影響比液相工質更加明顯。

對于=3.33～6.52 W/cm2時的兩相態工質擊穿，在50～150 Hz頻率區間擊穿電壓隨頻率增加略有上升趨勢，這是因為兩相態工質的流動對電極區域工質造成了擾動，一方面不利于電極間工質熱量的累積；另一方面電場力下兩相流動降低了帶電粒子滯留量，進而降低了工質擊穿概率。隨著電壓頻率進一步上升，工質損耗增加影響逐漸凸顯，冷卻工質擊穿電壓隨頻率上升而下降。

4 結論

本文依托自主研制的三相態相變冷卻工質可調頻絕緣特性測試平臺，開展了柔直換流閥用相變冷卻工質三相態、50～300 Hz頻率范圍的絕緣擊穿特性研究，所得主要結論如下：

1）不同頻率下冷卻工質擊穿特性隨相態變化規律一致：液相工質擊穿電壓平均值隨工質溫度上升略有下降，基本維持穩定；氣液兩相工質擊穿電壓平均值隨熱流密度增加逐漸下降，并最終接近氣相擊穿電壓；氣相工質擊穿電壓值及數據分散度最小。液相和氣相工質擊穿電壓服從雙參數Weibull分布，氣液兩相工質擊穿電壓不服從雙參數Weibull分布。

2）隨著電壓頻率上升，液相和氣相工質擊穿電壓平均值及擊穿電壓分散度下降，其中氣相擊穿電壓受頻率影響更加明顯。不同熱流密度下氣液兩相工質擊穿電壓表現出不同的頻率相關性：當熱流密度較小及較大時，兩相工質擊穿電壓均值隨電壓頻率上升而下降；當熱流密度處于中間過渡區間時，兩相工質擊穿電壓均值隨頻率上升先增大后減小。

3）冷卻工質擊穿起始于其內部帶電粒子與中性分子發生碰撞電離。帶電粒子、碰撞前自由程、一定的電場強度是碰撞電離產生的必要條件。提高帶電粒子量、增大帶電粒子自由程、增加電場強度，均可提高工質擊穿概率；反之，工質擊穿概率降低。冷卻工質溫度上升、氣化、高頻熱效應均會使工質體積膨脹、密度減小，增大帶電粒子平均自由程，有利于碰撞電離的產生及發展，引起擊穿電壓降低。

4）本文所研究相變冷卻工質氣相介電強度最小值為10.2 kV/mm（300 Hz）～13.7 kV/mm（50 Hz），其絕緣性能優于SF6氣體，與變壓器油相當。為保證相變冷卻換流閥絕緣系統可靠性，應考慮換流閥實際運行頻率，以氣態相變冷卻工質高頻點介電強度為主要依據進行冷卻工質選型及閥體絕緣設計。

綜上所述，本文研究工作解決了換流閥典型運行頻率區間相變冷卻工質三相態耐壓測試問題，研究方法可用于換流閥冷卻工質選型，所得結論可指導相變冷卻換流閥絕緣系統設計。研究成果對于相變冷卻技術在其他電力電子器件、裝備領域的應用具有指導意義。

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Breakdown Characteristics of Phase Change Coolant for Flexible HVDC Converter Valves

Wen Yingke1Ruan Lin1,2

（1. Institute of Electrical Engineering Chinese Academy of Sciences Beijing 100190 China 2. University of Chinese Academy of Sciences Beijing 100049 China）

High voltage and large capacity is the development trend of flexible HVDC transmission technology. The reliability problem caused by overheating of IGBT converter valve limits the improvement of system capacity. The cooling capacity of the water cooling system is limited, and there are also hidden dangers such as blockage and leakage. It is of great significance to develop a safe and efficient new cooling technology for the converter valve. Phase change cooling technology has high cooling efficiency and reliability. It is expected to overcome the heat dissipation bottleneck of flexible HVDC converter valve and has a good application prospect in the field of converter valve cooling.

In order to design the insulation system of the phase change cooling converter valve, it is necessary to study the insulation breakdown characteristics of phase change coolant. The existing researches on the breakdown characteristics of phase change coolant are almost carried out at power frequency, but the operation frequencies of converter valves are usually higher than power frequency, so the existing researches are not enough to guide the practical engineering application. In order to solve this problem, this paper firstly developed a frequency-adjustable insulation characteristics test platform for phase change coolant. The platform could realize the adjustment of the output voltage frequency, at the same time, the test chamber has sealing and visualization characteristics, which can meet the triphase state test requirements of phase change coolant. Considering the typical operating conditions of the converter valve, the insulation breakdown characteristics of the phase change coolant at different phase states, within 50～300 Hz were tested by using the platform. The change rules of the breakdown characteristics of phase change coolant with different phase states and voltage frequencies were obtained, the breakdown mechanism of phase change coolant at different phase states was analyzed, and the influence mechanism of phase state and frequency on the breakdown characteristics of phase change coolant was revealed.

The following conclusions can be drawn from the study: (1) Under different frequencies, the change rule of the breakdown characteristics of the coolant with phase state is consistent: The average breakdown voltage of the liquid coolant is basically stable. The average breakdown voltage of gas-liquid coolant gradually decreases with the increase of heat flux, and finally approaches the value of gas coolant. The average value and data dispersion of gas phase breakdown voltage are the minimum. The breakdown voltage of liquid coolant and gas coolant obeys the Weibull distribution, while the breakdown voltage of gas-liquid coolant doesn’t. (2) With the increase of frequency, the average value and dispersion of breakdown voltages of liquid coolant and gas coolant decrease, and the gas phase breakdown voltage is more affected by frequency. The breakdown voltage of gas-liquid coolant shows different frequency dependence under different heat flux. When the heat flux is small or large, the average breakdown voltage of gas-liquid coolant decreases with the increase of frequency, however when the heat flux is during the middle transition zone, the average breakdown voltage of gas-liquid coolant increases first and then decreases with the increase of frequency. (3) The breakdown of coolant is caused by the collision ionization between charged particles and neutral molecules. The breakdown probability can be improved by increasing the number of charged particles, the free path of charged particles and the electric field strength. (4) The gas phase insulation performance of the phase change coolant studied in this paper is superior to SF6and equivalent to transformer oil. In order to ensure the reliability of the phase change cooling converter valve, the main basis for the selection of coolant and the insulation design shall be the dielectric strength of gas coolant at the high operation frequency point of the converter valve.

The research not only solves the problem of triphase state insulation test method of phase change coolant at high frequency, but also lays a foundation for the insulation design of phase change cooling flexible HVDC converter valve.

Converter valve, flexible HVDC transmission, phase change cooling, breakdown characteristics, high frequency insulation

TM46; TM85

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.221967

國家自然科學基金資助項目（51777201）。

2022-10-14

2023-01-03

溫英科 女，1988年生，助理研究員，研究方向為相變冷卻技術在電力電子裝備領域的基礎及應用。E-mail：wenyingke@mail.iee.ac.cn

阮 琳 女，1976年生，研究員，博士生導師，研究方向為電氣裝備與電子信息設備相變冷卻技術與裝備研制。E-mail：rosaline@mail.iee.ac.cn（通信作者）

（編輯 李 冰）