发电厂励磁系统整流柜的热计算

Vo. 0No l3 . 3 J n 1 u .0 1 2

河一电力.术此核HEBEI ELECTRI OW ER CP

第3 0卷第 3期 21年 6月 01

,甘、

一，一卜-鑫卜习，甘、r一‘ -全 -‘

,、二」- .、 1 .卜山 _,」‘‘、,声诱 -&三. _ t v盆凡幽

Th r l lua inf rRe t iri o rPa t e ma c lt c ie P we ln Ca o o f n

唐建惠‘宁涛2栗河川3,,

0 04; 50 6

(. 1河北省电力研究院，石家庄 002;. 50 12河北华电石家庄热电有限公司，石家庄 3河北西柏坡发电有限责任公司， .石家庄 00 0 ) 5 40摘要：以某电厂机组励磁系统整流拒改造为例，绍整流拒介

散热元件选用原则，分析整流拒热计算中晶闸管功耗及风冷工况时晶闸管各项参数的计算过程，得到整流元件的发热情况，以此判断所选用的元件是否满足运行时整流拒时温度的要求，了整流拒的安全运行。保证关键词：系统；励磁整流拒；热计算；量；热容温度 A s atT e ae s i sh e a l l i ci bt c: h pr e r e ehr la u t n fe - r p d cb t t m c cao or t frn w r l t rdcsh to oes n n i p e a, t ue e e dp cs d o- eia o p n i o n t m h r a c c s no e a u t n c ri e e l w ne l i t l l i . c d gt t s t e a - u o fh c c ao A o n o h r u, c s t a e l ets ual rh cfr un gt pr i tt e n ib f e e i ni m e - m eh em is t e o t r ti r n e a e t e od i t oesr f eao cfr u nio o n, ue a o rt n feti rc tn r o t n sep i or i e K y o:xi tnss m; e ie;te a l l i; e r ecai t cfr r l a u tn w d t o y e r ti h m c c a otema p c y mprtr hr l a ai;t eaue c t e

以使用风冷的铝散热器，也可以使用热管自冷散热器。对于 2 0 0A及以上容量的整流柜， 4只能使

用风冷的铝散热器。该次改造的整流柜的单柜最大输出电流为 3 0 因此选用风冷的铝散热器。 0 6 A,

2设备技术条件 2晶闸管全波三相整流桥参数 . 1单柜额定输出电流 I 180A( d ; l= 0长期运行)单柜最大输出电流 I 360A 3 d (0s; 2= 0 ) 单柜停风机最大输出电流几 60A 0 s 0 (= 3mi) n犷

中图分类号：M7 1 T 6文献标志码： B文章编号：0 1 8 8 2 1 )3一 0 7 4 1 0一9 9 (0 1 0 0 0一0

交流输入电 d 0;压U<80 V直流输出电压U毛80 d 0; V 晶闸管反向耐压 U=400V,= , 0

22 D R 46Y型晶闸管参数 . 17S C额定正向平均电流 I l= ) V A ( T门槛电压V, 10 T= .3 V; 7 70A;

励磁整流柜是应用于发电机励磁系统的电力电子装置，应满足额定输出电流、强励时最大输出电流和风机停运时整流柜最大输出电流 3种运行工况的要求，因此在设计整流柜时，必须选用合适的晶闸管、散热器和风机，布置合理的散热系统。整流柜主回路热计算是从强迫对流换热、自然对流换热和瞬态阻抗 3个方面计算晶闸管的结温，判断其是否在

断态重复峰值电压UR 0 D -3 0; M V 8斜率电阻r=O3 f T .2 g m;结壳热阻R= .0 ' W;; 009 , 5C /接触电阻R5 002C W. C .0 = '/ 2 3 D C631 . -0-型散热器参数 X散热器尺寸I 0 m, 7= 4 m 1 3 5 =25 m,二25, m l。mm,1 为散热器热器长，1为散热器热器宽，3为 ( 1 1

安全温度范围内工作。某电厂 2台 30MW燃煤 0机组汽轮发电机励磁系统使用的整流柜由于运行年限超过 1年， 0出现整流元件过热造成机组非正常停机等异常情况，因此在进行技术改造时，要重点了解整流柜在不同工况下温升和散热的情况。

散热器热器高);散热器热阻Ra .50/ W=6 s由制 W, s=00 C ( m/造厂提供);

散热元件的选取原则用于可控硅整流柜的散热器主要包括大容量铝 散热器、大容量的热管自冷散热器、小容量的热管自冷散热器

,输出电流为 60 0A的整流柜， 0-18 0可

散热器流阻 L=20mm, s .2 0 a 5'/ R=O 1 C W,A P=6 a o 5P;

型材截面积 F=8.; 32c, m型材截面周长L 1 m;=25 m 2型材重量 Q 2 /=2.8k m. 8 g

收稿日期：01 0一 2 21 - 1 1作者简介：唐建惠(90,, 17-)女高级工程师，要从事电力系统自动化技术研究工作。主

Vo . 0 No' l . 3 3 J n 0 1 u. 1 2

河此电力杖术HEBEIELECTRI C POW ER

第3卷第3 0期21 0 1年 6 月() 1

24 R E 0A 2一 5型风机参数 . 40 B 3 0 4额定风量 L=310m; 5丫h电压 U=20V; 3每相风道截面为：o 0 32 2当压降△P=4 F .4 m;= 0 一 5a P时， L 0M o风量=28 3h 0/

雷诺数为：,=竺I RL

式中：。为风速， s m/;为特征长度，取 l . 2 Z m, 5=02

m;为空气动力粘度， Is y M/.当环境温度 T=4 y 70X1_ 2S a 00 06/, C,=1.1 m代人式() 1则得到临界雷诺数为 5属于层流流动。,

3热计算过程热计算的目的在于研究不同工况下整流元件晶 闸管的结温，确保整流部件的安全运行。对该次改造的热计算使用了 2个数学模型， 1个模型用于铝

3 换热系数 h .. 22换热系数是 3 传导、种传热方式(对流和辐射)换热量同温差之间的对应关系总称。平均对流换热系数 h可由波尔豪森法计算得到。努谢尔特数 Nu

型材散热器的空气自然对流换热，考虑到散热器的翅片间距，可视为垂直于地面的平板，利用等温表面的经验公式求得。另 1个数学模型为斯蒂芬一波尔兹曼方程，用于计算单只可控硅整流管的实际热辐

N警。6, r二一6 L 1一 4‘ R尸 P 32‘、

夕、

〕2

,

射面积[。计算时设定装置各处的环境温度相同，[ 1]各层整流单元元件的温差忽略不计，作为工程应用，计算结果使用热计算平均值。

h06 R3-一.4,/k一 6 LP, -了‘、

Q d/、、

式中：T P为普朗特数，无量纲， T -4, r当 a 0' P - C0 51 .0; 7 k为空气导热系

数， T - 4 k=当 a 0 C,

31晶闸管功耗 .根据不同工况下的额定电流计算额定正向电流

007 ( K;为空气平均对流换热系数， .2 W/m )h 1W/m2, ( 则可得 h 4 0 C)=2 .2W八m2 o 1 0 C)

的平均值几，。额定电流 I1 .6,d 62 A, T=0 8 6. a 3 I= l 4 2倍电流 Ia .6,d 2.停风时的允 T=038I=1348A, 2 2许电流 Ia .6,d 2. T=038I=208 3 3 Ao根据电流电压计算三相全波整流晶闸管功耗，

修正后，对流换热系数 h=1 3h=3. 6 . 13W/m2 (℃)

32翅片效率 .. 3计算翅片效率需通过计算无因次肋高 m, l求取

p I, VO 2 7 a r, i T T .几1 T代入以= .+ 4 l 2上参数，得可P= 10 9W、 2 5 、= 2 6W。 1 2 P=27 2W P3 6

后可通过查找m-, l曲线得出，其中m为翅片形，状参数，为翅片高度， 2计算中取尾翅片高即 2。,

32风冷工况时晶闸管参数计算 .根据散热元件物理结构，计算雷诺数， 再导出平均换热系数和翅片效率，从而得到对流换热电阻R S和导热电阻R, d根据温度计算公式计算晶闸管结温。 32雷诺数RL .. 1,雷诺数是表征流体流动特性的一个参数， 与散

?孺 2A 58一1' .6ml .9 ,, 34=09=0 3 对流换热电阻R和导热电阻R .. 24。 d

() 4

式中：为铝的导热系数，入对于合金铝散热器，=久25W/ m" 为散热器翅片厚度，=0 4m; 0 C), (; 6 5 ( .0 0

I为尾翅片高，=005。查m -, S I 4, . m l曲线，得出

热元件的物理结构有关系。三相全波整流桥每相为一单元， V,各一单元， U, W每单元 2只晶闸管，分别压装在一个长散热器和 2个短散热器上。3个单元装人风道中，风道上方设置集风器和离心风机。

散热器总热阻由对流换热电阻 R、 和导热电阻

R相加而得。前者表征换热元件在对流情况下的 d温升特性，是换热系数的倒数，同时与散热元件面积、换热系数成反比，即式 () 5。后者表征换热元件

每只晶闸管对应的散热器流阻为6 a 5 . P每相风道截面为：o 0 32m,

F .4 2每相散热器= 0 截面为：S .1 2三相 3 F=0066 m, 4单元散热器流阻为：=LP 33 a AP o3 2 .。/X=4 P查 R4 40 2-5流量风压曲线， E 0AB 30 当△P= 4 . a时， 3 P 3 L=280m3h 0 /若散热器翅片间风速为 。则，田= T一 T入 n=, b M/一 ./土 S厂。一厂， 0

在传导换热情况下温升特性，与其导热系数成反比，与散热元件面积成反比而与其厚度成正比，即式() 60N .=万二一 -￣

。

1

() 5

h A专

式中： A为散热器翅片面积， 2将数值代入式() m, 5,

L

、,1

_ _, _

得到 R=0 48', 5 .3 / 0 C W,使用导热电阻可以定量计算元件在传导换热情 况下的温升特性，

Vo. 0 . l No 3 3

河北电力杖术HEBEIELECTRI POW ER C

第3卷第3 0期2 1年 6 01月

J n 1 u .0 1 2 b

Rd=

2F A

() 6

辐射换热量为 P, P= 使用的数学 E则 E P 3K,/模型为斯蒂芬一玻尔兹曼方程，可求散热器平均温 TS有 P=a;]T一几)两方程联立可导出：, E E[ (。 A,T、=

式中： F为和晶闸管压接的台面面积；当采用 3直径"

晶管管“05,以= d 04;闸，径=. ,晋' . m 0m F= 4 2 7所 02 0b为散热器主筋厚度，=0 5m; b .4因此得到 R 0 d= 0 4 而散热器总热阻 Ra R R .280/ 0 C W, s= d S+=0 96- . 5 / 0 C W。

(+a派；]T, kA [ 4苗3 a E i 4

() 8

式中： 1-, a 5 6 X 8代人其他数值，= .7 0得到T s=3 0 即 8 .00 6.0K, 7 4 4 C。空气膜温度 T二0 a, f . (+T )代入数值 T 5T, f=

3同工况下的结温 . 3上述计算过程中， 由雷诺数推导出换热系数，然后计算出翅片效率，根据翅片效率及散热器面积代

6., 37 C而空气膨胀系数 p ‘ 671 =T一=3 .- 3= 002 6一。 .0 9 1 9 K此温度下的格拉晓夫数为：

人公式() 5

得出对流换热电阻R。根据散热器在传 S导方式下的物理尺寸计算出导热电阻 R, d两者相加

从而得到了散热器总热阻Ra s o

G=[pT一T)〕r r g(S a3/ l 1 z

() 9

根据温度计算公式T= R 。,+=; p s T (s风+R ) a a+P i- a代人 3 Er+, T .. 24中的计算结果，可以进行结温计算。

式中： g为重力加速度，=98/2l g .1 s,为散热器特 m征长度，=0 5m; f 3 Z . 5 =6 . 0 2 T 7 C时，=1. 6 X r 9 4

1一 m/2代人数值得到Gi 0 4 8 Gjr 0“￥,, 9 5., P==6 4 4 74 2 1 .。 26 29 3 3

式中：s Ra为散热器总热阻，/ R。 0 W;; C为晶闸管结壳热阻， W;, 0 C/ R为晶闸管接触热阻，/ T为环 o W;a C

所以， 0 9( r rosX l 5 2 h= . G," k . 5 )z 5 P/= 4W/ mZ。 ( 0 C)

境温度，尸为晶闸管功耗，℃; Wo 3 额定输出电流时的结温兀 .. 31 1当P=109W,j 1.8, 2 1 Tl 3 '<150 2=1 1 C。 C 33最大输出电流时的结温 T .. 2; 2整流柜输出最大电流时，先计算瞬态热阻 Z 2,然后根据温度公式计算出结温。额定输出电流时，

式中：=00 0 k,为平均对流换热 k .292W/m ) ( h

系对流热阻R=/ A专然对流数；换热 S 1(沪；为自 h换热时翅片效率， [ a 37则 ml 2/A)0 0 1,= h (]S= . 6 ' l

, 09,, 01520 =R R=一 .9而R= .9 C W, . S d / R+0 299℃/ .1 W。

总热阻ZR 11,。最大输出电流时的， 00 2-/= .7 CW

瞬态热阻抗为 Z, 2而及一E,I e-u一风 (一邵i )顶 Rc l . 1 .0 2 30其中，为最大输出电流维持时间， .0 / 0 6 C W, t t 0;为铝的比热， 6掩；=3。 s c 0/ w散热器重量 w=9 J=

若辐射换热系数为 h, E则 h l队IT一T」=P/k E P [s a} . a}= E{ 3{区IT一T」=2

7 ( 2 )辐射换热热阻为 R, E . 1W/m 0; 8 C E R=1 (EAl=1 3℃//h ) .8[ 5 W。

Q 1 2 1 7 g从而推导出兀 92 l R+ L=1 。 X . k 6 2不=PZ;(: lZ+4=17 <15 C。 p一p ) 2 0 1 .40 6 C, 2

综合换热系数为R,H E1 Ra1一= HR ( - s )‘ + -=R0 131℃/ .9 W.自然工况时晶闸管结温为：

3 自冷工况最大输出电流时的结温 T3] .. 33 j1[ 停风机时，整流柜进人自冷工况，与散热器进 行自然对流换热的同时，辐射换热也起到重要作用，这是整流柜的最恶劣工况，因此还要计算辐射换热的热量，以便得出该工况下的平均对流换热系数和

T3 P H RE R ) a 44 J ( J c+T=9.1℃<15℃ 3+ s= R+ 2 3 计算结果 .. 34 a整流柜额定输出电流 I 1 0 晶闸管 . d 0A, l 8=结温 Tr 1.80 J=1 31 C。 b .整流柜最大输出电流 I=360A(0s, d 2 0 3 )

辐射对流系数。[为散热器包络面的面积： A〕[= A] 02 2散热器的总换热量与辐射换热量之比为 .2, mK, K可用式()则 7表示：人=下，二二十 1二二，

AE,,

L」八七1

() 7

晶闸管结温 T2 17 J 1.4℃。 = 6 C .整流柜停风机时最大输出电流 I 0A, d 6 3 0= 晶闸管结温 T3 .1℃。 J 9 44=

式中：。 E为散热器氧化为黑色时的辐射率， .0取0; 6 E为散热器氧化为银白色时的辐射率， 03,;取 .3则 得到 K=8 4 .80 8

34计算结果分析 .当自然对流换热和辐射换热达到最大能力， 仍

不能满足整流管的散热要求时，散热器依靠自身热9

Vo. 0 No l . 3 3

河此电力杖术H EBEIELECTRI C POW ER

J n 1 u .0 1 2

第3 0卷第 3期 21年 6月 01

容量吸收部分热量，是热量分流的一种重要方式。散热器在较小温升的情况下，以其自身热容量吸收未能由自然对流换热和辐射换热散发的热量，从而

件的工况下，能够满足表 1中运行时间的要求。选配整流柜元件时，应进行

热计算，并对空气自然对流换热、辐射换热和整流散热器自身热容量 3个方面的计算结果进行综合评估，使整流散热器的效能最终能满足整流装置在各种运行条件下的散热要求，从而保证整流柜的安全运行。参考文献：[〕沈 1鸿.机械工程手册》第二卷) M]《 ( ) .机械工业出版社，[ 18. 92

缓和硅整流管结温上升过高的趋势。因此，适当增加散热器的质量，使之有较大的热容量，在短时吸收整流管的功耗热能，是解决整流散热器散热能力不

足的有效途径[。整流柜在 3种工况下， 2 )晶闸管的结温均低于 15℃, 2满足设计要求，可安全运行。 4结束语改造后整流柜硅整流元件的温升( 与散热器结

[〕杨冠豪. 2地铁牵引变电站整流器的热设计「] J.机车电传动，1 9 4: 1一3 . 9 5, 3 6

本文责任编辑：丁力

合处)能够满足元件的标准要求，并且在不同散热条令宝"丫 '毛屯心心心心 I令'令令心 u毛0令令令心令令令令令心令令今今夕 2吧心奋屯吧卜会心令令令令，I公！心'心 f令令 0 I毛心" t, t I乙毛毛心心 u毛杏令卜训次人左心

(上接第 4页)方式进行计算，共执行计算作业 1 2次，以母线最低电压、机组最大功角 2个指标与平台计算结果做对比，结果见表 3 0表 3使用 P A P平台与离线程序计算结果对比 SS 计算作业次数/次 母线最低电压机组最大功角差

精度差<001 .0%精度差<00% .1

1 212

1 11 2

比较计算结果可以看出，利用 P A P平台计 S S 算出的结果与离线程序结果基本一致，验证了利用 P A P分布式平台进行暂态稳定计算的正确性。 SS

图 2分布式计算平台计算任务提交界面

24计算结果对比 .电网数字仿真实验室安装的 P A P分布式计 S S算平台，配置见表 4 0表 4 P A S S P分布式计算平台配置配件名称管理节点配置 ItrXen .8 GHz C U,1 GB R2一 6 7 ne o 2 P DD 6

图 3分布式计算平台计算任务结果显示界面

3结论利用

P AS S P分布式计算平台对河北南网 21 01年 HX断面暂态稳定进行计算分析，与常规 P AS S P离线计算程序相比，其具有计算结果准确、速度快、降低工作人员劳动强度等优点，在多种方式下对

R M,2 B硬盘， r e网卡 A 0 1 G Myi t nI t rXe n . 8 n e o 2 GHz CPU,2 GB DDR2一 6 7 6

计算节点(0个 ) 2机群网络

R M,5 B硬盘， r e网卡 A 0 2 G Myi t n

百太网带宽2 b/延迟 1 M re网兆以 is Gt 0 . yn络 p it sRe Ha iu d tLn x

操作系统

分别应用 P AS P AS S P平台和 S P离线程序进

N一1故障计算时效果尤为显著。参考文献：[] F leM, un kH, i i oA l t m cai lrni 1 i di Cp a . e r ehn a as ep R c rn E co c t - et u t no uto pt a h D - c ui ns i l i a lcm ue v eV HN Ma ar s ao n m i m r it l n me o〕 IE T asco o e yt,0 1 1 t d . E E r atno Pw rSs ms20, 6 h[ J n i n e( ): 1 3 4 8一4 . 26

行全网 20k 2 V和50 V线路 N-1 0 k故障及主变压器 N-1故障计算，每个故障均仿真 5s计算耗时，对比见表 5计算任务提交界面、,结果显示界面分别如图 2图 3显示。、计算程序 P A P分布式计算平台 SS P A P离线程序 SS理论计算时间 实际计算时间1 80 3 5 51 193 3 515

2舒严剑峰，基于集群机的大规模电力系统暂等.表 [〕薛巍，继武， 5计算耗时对比态过程并行仿真「]中国电机工程学报，032()3一 3 J. 20,38:8 4.[]洪潮， 3沈俊明.电力系统暂态稳定计算的一种空间并行算法[]电网技术，002()2一 4 J. 20,45:0 2.

由于平台数据库具有典型故障集，无需对故障 设置进行反复操作，在实际计算中更节省时间。。 1 0

本文责任编辑： 丁力

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/3c81.html