一種高壓防爆SVG用水冷卻裝置的設(shè)計(jì)

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(jī)電有限公司， 山東 鄒城 273500)

0 引言

礦用隔爆兼本質(zhì)安全型鏈?zhǔn)届o止無(wú)功發(fā)生器(SVG)應(yīng)用于煤礦井下爆炸性環(huán)境中，可補(bǔ)償無(wú)功電流，穩(wěn)定電源電壓，改善設(shè)備供電環(huán)境，近年獲得廣泛應(yīng)用[1]。受設(shè)備防爆設(shè)計(jì)影響，井下設(shè)備的散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(tǒng)設(shè)計(jì)，保證高壓設(shè)備串聯(lián)模組間及對(duì)地電氣絕緣設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行，是設(shè)計(jì)防爆型電力電子設(shè)備時(shí)必須考慮的問(wèn)題。

礦用隔爆兼本質(zhì)安全型鏈?zhǔn)届o止無(wú)功發(fā)生器水冷散熱裝置的主要作用是對(duì)功率元器件(IGBT)進(jìn)行散熱[2-3]。功率器件運(yùn)行的穩(wěn)定性決定了整個(gè)SVG的運(yùn)行性能，而溫度對(duì)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(shè)計(jì)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(nèi)水循環(huán)水路、外水水路、水-水板式熱交換器，內(nèi)水循環(huán)水路和水-水板式換熱器安裝在防爆殼體內(nèi)，外水水路接口預(yù)留在防爆殼體面上，兩循環(huán)水路通過(guò)水-水板式熱交換器交換熱量，靜止無(wú)功發(fā)生器殼體內(nèi)散發(fā)的熱量直接通過(guò)外水水路帶出。

1 工作原理

該水冷卻裝置水路分為內(nèi)水循環(huán)水路和外水循環(huán)水路，如圖1所示。內(nèi)水循環(huán)水路中冷卻介質(zhì)由主循環(huán)泵升壓后流經(jīng)水-水板式換熱器，得到冷卻后，進(jìn)入被冷卻器件、將熱量帶出，然后回到主循環(huán)泵，形成密閉式往復(fù)循環(huán)。水-水板式換熱器作用是將內(nèi)冷卻水的熱量交換給外循環(huán)水，由外循環(huán)水將熱量帶出。

圖1 水冷卻裝置系統(tǒng)原理框圖

IGBT模組、內(nèi)水循環(huán)水路位于防爆殼體內(nèi)部，通過(guò)不銹鋼管道與外部供水部分連通，不銹鋼管道及連通區(qū)域與防爆殼體一并進(jìn)行爆炸試驗(yàn)測(cè)試，確保滿足防爆性能要求。內(nèi)水采用去離子水，并設(shè)置去離子裝置，解決了散熱系統(tǒng)對(duì)高壓SVG各項(xiàng)串聯(lián)模組間及對(duì)地絕緣性的影響。

2 系統(tǒng)組成

水冷卻裝置系統(tǒng)由外循環(huán)水路、水-水板式換熱器、內(nèi)水循環(huán)水路、控制檢測(cè)部分組成,其結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 水冷卻裝置系統(tǒng)組成圖

2.1 外循環(huán)水路

外循環(huán)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(fēng)機(jī),外循環(huán)水路圖如圖3所示。從熱源出來(lái)的熱水通過(guò)一個(gè)水風(fēng)換熱器降溫，進(jìn)入儲(chǔ)水水箱，經(jīng)泵增壓后送出，循環(huán)利用。當(dāng)循環(huán)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，熱水可以手動(dòng)切換，直接送給熱源，回流的熱水排出，不循環(huán)利用。為滿足設(shè)備的防爆性能要求，外水水路通過(guò)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(huán)水路圖

2.2 內(nèi)水循環(huán)水路

內(nèi)水循環(huán)水路由水冷系統(tǒng)本體和內(nèi)循環(huán)水管路組成，水冷系統(tǒng)本體主要由冷卻水循環(huán)水路(主循環(huán)泵、主循環(huán)過(guò)濾器、脫氣和穩(wěn)壓裝置、補(bǔ)氣裝置、電加熱器及各壓力、溫度變送器)、電動(dòng)三通閥、去離子回路(離子過(guò)濾器和精密過(guò)濾器)、注/排水回路構(gòu)成,內(nèi)水循環(huán)水路見(jiàn)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(huán)泵;3-加熱器;4-閥門(mén);5-緩沖器;6-離子交換器

冷卻水循環(huán)水路主要由主循環(huán)泵、主循環(huán)過(guò)濾器、脫氣和穩(wěn)壓裝置、補(bǔ)氣裝置、電加熱器、各種控制閥門(mén)及壓力、流量、溫度檢驗(yàn)變送器組成。

為避免系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的氣體導(dǎo)致主循環(huán)泵汽蝕，在密閉式純水冷卻系統(tǒng)中配置脫氣罐。由于環(huán)境溫度的變化會(huì)造成系統(tǒng)水容積的變化，因此需要一個(gè)穩(wěn)壓系統(tǒng)來(lái)緩沖冷卻介質(zhì)因溫度變化引起的體積變化。本裝置將脫氣和穩(wěn)壓裝置合并成緩沖罐，流經(jīng)被冷卻器件水冷板的換熱介質(zhì)在進(jìn)入主循環(huán)泵之前先進(jìn)入緩沖罐，由于流入緩沖罐后流速降低，使得流體介質(zhì)中的氣體得以分離析出。緩沖罐內(nèi)預(yù)充空氣，緩沖冷卻介質(zhì)的體積變化。

電動(dòng)三通閥的作用是調(diào)節(jié)流經(jīng)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(fù)荷運(yùn)行時(shí)的冷卻水溫度調(diào)節(jié)，避免冷卻水溫度過(guò)低。

去離子回路并聯(lián)于主循環(huán)回路中，包含離子過(guò)濾器和精密過(guò)濾器。通過(guò)對(duì)冷卻介質(zhì)中離子的不斷脫除，達(dá)到長(zhǎng)期維持極低電導(dǎo)率的目的。離子交換樹(shù)脂采用非再生樹(shù)脂，專用于微量離子的去除。

水冷裝置內(nèi)置補(bǔ)液接口，初次使用或緩沖罐液位降低至補(bǔ)液液位時(shí)，需將補(bǔ)液泵接入補(bǔ)液接口，進(jìn)行補(bǔ)液。機(jī)械式補(bǔ)液泵另置于水冷裝置外部。為方便檢修、維護(hù)及保養(yǎng)，水冷系統(tǒng)管道的最低位置處設(shè)置了泄空閥，方便排除系統(tǒng)中的冷卻介質(zhì)。

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(tǒng)正常工作時(shí)，熱水被輸送入板式換熱器熱側(cè)通道，通過(guò)不銹鋼板片將熱量傳遞到板式換熱器冷側(cè)通道內(nèi)的外循環(huán)介質(zhì)(外水)中。水-水板式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖5。

圖5 水-水板式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 控制及檢測(cè)系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)中各機(jī)電單元及傳感器由PLC自動(dòng)監(jiān)控運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)水冷系統(tǒng)的采樣、監(jiān)控及通信功能，采用MODBUS總線方式通信，在線運(yùn)行參數(shù)可在人機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示，控制流程見(jiàn)圖6。系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和報(bào)警信息即時(shí)傳輸至被冷卻器件的主控制器，并可通過(guò)主控制器遠(yuǎn)程操控水冷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)與主機(jī)無(wú)縫接合。

對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的遠(yuǎn)程控制信號(hào)和水冷系統(tǒng)報(bào)警信號(hào)通過(guò)開(kāi)關(guān)量接點(diǎn)與被冷卻器件監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通信，對(duì)信息量較大的在線參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及水冷系統(tǒng)報(bào)警信息通過(guò)MODBUS方式與被冷卻件監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通信。

開(kāi)關(guān)輸入量主要包括遠(yuǎn)程啟動(dòng)/停止水冷信號(hào)，開(kāi)關(guān)輸出量主要包括預(yù)警、跳閘、水冷啟/停狀態(tài)、水冷系統(tǒng)綜合故障、直流控制點(diǎn)掉電及請(qǐng)求停水冷等信號(hào)。

圖6 控制流程圖

3 系統(tǒng)應(yīng)用

該水冷卻裝置適用于礦用防爆高壓靜止無(wú)功發(fā)生器、礦用防爆高壓變頻器等采用低壓?jiǎn)卧?lián)形成高壓電力電子設(shè)備。圖7是該裝置應(yīng)用于兗礦集團(tuán)的3.3 kV、2.5MVAR礦用隔爆兼本質(zhì)安全型鏈?zhǔn)届o止無(wú)功發(fā)生器的實(shí)物照片。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)完全滿足防爆SVG的散熱要求，滿足高壓系統(tǒng)對(duì)地絕緣的要求，并且該水冷系統(tǒng)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(huán)泵;3-補(bǔ)水箱

4 結(jié)論

本文介紹了一種礦用防爆SVG用水冷卻裝置，詳細(xì)地描述了該系統(tǒng)的工作原理及系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)的成功應(yīng)用滿足了防爆SVG功率等級(jí)不斷增大的需求，解決了散熱系統(tǒng)影響高壓SVG各項(xiàng)串聯(lián)模組間及對(duì)地絕緣性的問(wèn)題。該水冷卻系統(tǒng)散熱效率高，能夠提高鏈?zhǔn)届o止無(wú)功發(fā)生器裝置運(yùn)行的可靠性，能夠延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

相比強(qiáng)迫風(fēng)冷裝置，該系統(tǒng)噪聲較小，實(shí)現(xiàn)了全封閉系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠較好地適應(yīng)煤礦等類(lèi)似的惡劣運(yùn)行條件。水冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制簡(jiǎn)單，大幅縮小了礦用隔爆鏈?zhǔn)届o止無(wú)功發(fā)生器的體積。該系統(tǒng)在礦用高壓防爆SVG中有很好的應(yīng)用前景。