現(xiàn)有電力電子設(shè)備水冷卻系統(tǒng)中，通常使用空氣冷卻器或冷卻塔作為外冷設(shè)備，該種設(shè)備不適合在常年高溫缺水的地區(qū)應(yīng)用。常州博瑞電力自動化設(shè)備有限公司的研究人員張輝亮、劉金革，在2021年第1期《電氣技術(shù)》上撰文，通過對目前換流站中電力電子設(shè)備水冷卻系統(tǒng)的分析和研究，提出了將冷水機組應(yīng)用于外冷卻系統(tǒng)的新思路，即采用冷水機組直接冷卻去離子水。通過實際工程應(yīng)用，驗證了該方案的可行性，為高溫缺水地區(qū)大功率電力電子閥的冷卻提供了技術(shù)支持。

目前國內(nèi)外輸配電電力電子閥水冷卻系統(tǒng)室外熱交換器分為水冷卻、空氣冷卻或兩種混合的冷卻方式。當采用水冷卻方式時，一般采用冷卻塔；當采用空氣冷卻方式時，一般采用空氣冷卻器。近年來輸配電電力電子設(shè)備用水冷卻系統(tǒng)實際工程應(yīng)用中，大多采用空氣冷卻器，也有少量工程應(yīng)用冷卻塔。

然而，使用空氣冷卻器要求環(huán)境溫度低于被冷卻對象進水溫度，當環(huán)境溫度高于50℃時，會使冷卻系統(tǒng)的效率下降，電力電子設(shè)備的溫度升高，使用壽命降低，從而影響其正常使用；如使用冷卻塔則需項目地有充足的水資源。因此，在高溫缺水地區(qū)，上述的兩種冷卻方式的應(yīng)用均受到限制。

因此，需要研究一種水冷系統(tǒng)，能夠適應(yīng)高溫缺水地區(qū)的應(yīng)用,滿足輸配電電力電子設(shè)備的冷卻要求，并且保證電力電子設(shè)備可靠運行。

1  水冷卻系統(tǒng)簡介

1.1  水冷卻系統(tǒng)的工作原理

輸配電電力電子設(shè)備的冷卻系統(tǒng)，一般采用密閉式循環(huán)的冷卻方式。它包括主循環(huán)泵組、熱交換器、控制保護系統(tǒng)和管道等組成，其中主水泵組包括主水泵、去離子樹脂回路、穩(wěn)壓回路；熱交換器一般為空氣冷卻器、冷卻塔等一種或多種設(shè)備。其主要工作原理如圖1所示。

冷卻媒質(zhì)（純水或水與防凍液混合物，即去離子水）經(jīng)主水泵增壓后，通過水管道進入熱交換器中（空氣冷卻器或冷卻塔），再與室外空氣進行熱量交換從而達到降低溫度的目的，然后流過電力電子設(shè)備閥組，帶出電力電子設(shè)備工作所產(chǎn)生的熱量而溫度升高，升溫后的冷卻媒質(zhì)經(jīng)過脫氣罐回到主水泵入口，形成一個密閉式循環(huán)回路，如此連續(xù)往復(fù)運行。

為保證電力電子設(shè)備可靠運行，冷卻水需要滿足電力電子設(shè)備運行的電導(dǎo)率要求。為此，部分冷卻媒質(zhì)需要經(jīng)過離子交換器，不斷地處理系統(tǒng)中的冷卻水，使其滿足電力電子設(shè)備所要求的電導(dǎo)率值。

圖1  密閉式水冷卻系統(tǒng)工作原理

1.2  空氣冷卻器

空氣冷卻器是利用空氣來實現(xiàn)熱量交換，從而達到降低水溫的目的?？諝饫鋮s器與冷卻塔相比，具有節(jié)約水資源、節(jié)省維護成本、減少環(huán)境破壞和污染等優(yōu)點。

空氣冷卻器由穿片管束或套片管束、風扇和電機、配電箱、匯集水管、鋼結(jié)構(gòu)和其他附件組成。熱冷卻媒質(zhì)在管束內(nèi)流動，風機帶動空氣流動并吹過管束，使管束內(nèi)高溫介質(zhì)得到冷卻，實現(xiàn)熱量的交換。

空氣冷卻器被廣泛應(yīng)用在國內(nèi)、外電力電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)中。選用該設(shè)備時，一般被冷卻設(shè)備的進口水溫要高于環(huán)境極端溫度，以大于5℃為宜，設(shè)備散熱效果理想并且設(shè)備造價經(jīng)濟。因受電力電子設(shè)備進水溫度和環(huán)境溫度的制約，當電力電子設(shè)備要求的進口溫度比環(huán)境溫度低時，該設(shè)備不能使用。

1.3  閉式蒸發(fā)冷卻塔

閉式蒸發(fā)冷卻塔近幾年在鋼鐵冶金、電力電子、機械加工、空調(diào)系統(tǒng)等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。閉式冷卻塔源自于工業(yè)用蒸發(fā)式冷卻器，是利用自然環(huán)境中空氣的干濕球溫度差以間接蒸發(fā)的方式來降低水的溫度。

熱的冷卻媒質(zhì)在蒸發(fā)冷卻塔盤管內(nèi)流過，冷卻塔頂部噴淋水均勻流過布置在塔頂?shù)膰娏芩?，在噴淋水泵的?qū)動下噴灑在冷卻塔盤管的表面，大氣中的冷空氣由塔體的進風口流入塔內(nèi)，并在風機的驅(qū)動下形成空氣循環(huán)，塔內(nèi)的空冷與噴灑下來的噴淋水呈反方向流過塔體盤管，通過噴淋水吸熱和風機的驅(qū)動冷卻降低盤管中冷卻媒質(zhì)溫度。

蒸發(fā)冷卻塔主要受濕球溫度的影響，一般地區(qū)濕球溫度小于28℃，所以能夠保證將電力電子設(shè)備入口水溫控制在45℃以下，因此水資源豐富的地區(qū)閉式冷卻塔也被廣泛應(yīng)用。雖然該設(shè)備能夠滿足冷卻要求，但是需要消耗大量的水資源，所以在常年缺水地區(qū)也不能使用。

2  冷水機組

相變是指物質(zhì)急劇的變化，例如冰變成水就是一種相變的過程。在現(xiàn)代制冷技術(shù)中，相變制冷是利用某種物質(zhì)相變時的吸熱效應(yīng)，從而達到降低溫度的效果。冷水機組就是利用制冷劑（即134a、407c等環(huán)保冷媒）的相變實現(xiàn)制冷的常用設(shè)備。

本文主要以風冷冷水機組為例來介紹制冷循環(huán)過程。冷水機組主要包括壓縮機、冷凝器、膨脹閥、控制箱、蒸發(fā)器、連接管道等部件，構(gòu)成一個密閉的循環(huán)系統(tǒng)。

主要工作原理為：低溫低壓液態(tài)的制冷劑進入蒸發(fā)器，吸收被冷卻物的熱量后變成低溫低壓氣態(tài)的制冷劑再進入壓縮機，經(jīng)過壓縮機壓縮成高溫高壓氣態(tài)的制冷劑進入冷凝器，高溫高壓蒸汽通過冷凝器向大氣中釋放熱，同時制冷劑變成低溫高壓的液體，最后經(jīng)過膨脹閥節(jié)流后再回到蒸發(fā)器中，如此周而復(fù)始地循環(huán)，從而實現(xiàn)制冷過程。冷水機組工作原理如圖2所示。

圖2  冷水機組工作原理

3  冷水機組在水冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1  工程概況

某海外項目需要為電力電子設(shè)備提供一套水冷卻系統(tǒng)，要求冷卻容量150kW，項目最高環(huán)境溫度為50℃，電力電子設(shè)備入口水溫要求小于45℃。項目地常年缺水，所以水資源比較匱乏，水的成本較高。受以上條件所限，常規(guī)冷卻系統(tǒng)空氣冷卻器和冷卻塔均不能應(yīng)用。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，熱管制冷技術(shù)應(yīng)用普遍，技術(shù)成熟，且在高溫環(huán)境中可實現(xiàn)制冷，能夠滿足電力電子設(shè)備冷卻要求。經(jīng)過對比150kW同換熱容量下空冷器、冷卻塔和冷水機組的電源損耗和成本，發(fā)現(xiàn)冷水機組的電源損耗和成本相比其他兩種設(shè)備較高，電源損耗和成本對比見表1。

表1  電源損耗和成本對比

盡管冷水機組損耗和成本較高，但是制冷能夠滿足電力電子設(shè)備冷卻要求，該設(shè)備可提供更低的進水溫度，相比其他兩種冷卻設(shè)備制冷效果好，同時也可提高電力電子設(shè)備的使用壽命。其次因為工程實際受高溫和缺水條件限制，因此該工程只能選用冷水機組。

通過工程應(yīng)用實例，專門設(shè)計了一種使用冷水機組直接冷卻去離子水的密閉式水冷系統(tǒng)，并申請了專利（專利號：201821638338.X），經(jīng)工程實施驗證，可以滿足電力電子設(shè)備運行要求。

3.2  冷水機組設(shè)計

經(jīng)設(shè)計，該項目將冷水機組串聯(lián)于主循環(huán)泵和被冷卻電力電子設(shè)備之間，電力電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量傳遞給水，通過主循環(huán)泵提升，進入冷水機組，經(jīng)過冷水機組冷卻后的水再回到電力電子設(shè)備，形成密閉式循環(huán)，周而復(fù)始運行。冷卻系統(tǒng)用冷水機組示意圖如圖3所示。

圖3  冷卻系統(tǒng)用冷水機組示意圖

在設(shè)計中，將冷水機組串聯(lián)于主循環(huán)泵和被冷卻電力電子設(shè)備之間，電力電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量經(jīng)由主循環(huán)泵組將冷凍水傳遞到冷水機組的蒸發(fā)器，然后蒸發(fā)器通過制冷劑（即134a環(huán)保冷媒），制冷劑將熱量傳遞給冷水機組中的冷凝器，最終由冷凝器將熱量傳遞至大氣中。

我國暖通專業(yè)工程設(shè)計界目前普遍采用冷卻水進出口溫度為32～37℃。電力電子設(shè)備入口水溫一般要求小于45℃。根據(jù)項目環(huán)境50℃運行要求，總設(shè)計制冷量為150kW。經(jīng)設(shè)計選用3臺50kW壓縮機，每臺壓縮機可以獨立控制。

根據(jù)相關(guān)的設(shè)計標準和部件的選型要求，選用R134a作為制冷劑，它屬于中溫制冷劑；冷水機組的蒸發(fā)溫度范圍為15～ 20℃，冷凝溫度為65℃，冷凍水出口水溫度≤32℃，冷凍水入口水溫度≤38℃。

3.3  制冷試驗

為了驗證冷水機組的實際制冷效果，試驗通過模擬不同環(huán)境溫度和不同制冷容量條件下，測量冷水機組冷凍水出口水溫（也即內(nèi)冷卻系統(tǒng)中進入電力電子設(shè)備的入口水溫）來進行判斷。

試驗時，將冷水機組放置在密閉的氣候試驗室內(nèi)，室內(nèi)裝有環(huán)境溫度傳感器，可以實時監(jiān)測室內(nèi)的空氣溫度。用電加熱器來模擬電力電子設(shè)備的發(fā)熱，提高循環(huán)被冷卻水的溫度。在冷水機組蒸發(fā)器被冷卻水側(cè)入口和出口分別安裝有溫度傳感器，監(jiān)測入口和出口的水溫。測試系統(tǒng)回路圖如圖4所示。

圖4  測試系統(tǒng)回路圖

改變室內(nèi)的環(huán)境溫度，并開啟對應(yīng)編號的壓縮機，記錄環(huán)境溫度、出口水溫、入口水溫的測試數(shù)據(jù)。最后調(diào)節(jié)實驗室內(nèi)環(huán)境溫度，將環(huán)境溫度升高到50℃以上，同時開啟3臺壓縮機，記錄相關(guān)的測試數(shù)據(jù)。測試數(shù)據(jù)見表2。

通過對試驗數(shù)據(jù)分析可以得到，在環(huán)境平均溫度50.3℃、發(fā)熱量150.1 kW時，冷水機組冷凍水的出口平均溫度為30.5℃，進口平均溫度為36.7℃，均小于設(shè)計要求的32℃和38℃，從而證明該冷水機組達到了設(shè)計的制冷要求，滿足電力電子設(shè)備的入口溫度要求。此外，試驗也從側(cè)面分別對3臺壓縮機的工作性能進行了驗證。

表2  冷水機組制冷測試數(shù)據(jù)

4  結(jié)論

冷水機組技術(shù)作為一種高效的制冷方式，其在空調(diào)制冷行業(yè)應(yīng)用十分普遍，技術(shù)也比較成熟，但在國內(nèi)外換流站電力電子設(shè)備水冷卻系統(tǒng)中卻未見有相關(guān)的報道或應(yīng)用。

本文通過對常年高溫缺水地區(qū)換流站電力電子設(shè)備外冷卻系統(tǒng)的研究，首次提出了將冷水機組直接應(yīng)用在換流站電力電子設(shè)備用水冷卻系統(tǒng)中的新思路，即采用冷水機組直接冷卻去離子水，并以實際工程為應(yīng)用案例，試驗證明了該方案的可行性，為高溫缺水地區(qū)的冷卻應(yīng)用提供了技術(shù)支持和方案，具有一定的市場應(yīng)用價值，對推動電力電子設(shè)備冷卻技術(shù)的發(fā)展也有一定的借鑒意義。

值得注意的是，該冷水機組制冷時壓縮機需要消耗一定的電能，相比空氣冷卻器和冷卻塔來說能耗可能會增加。在實際工程應(yīng)用中，需要綜合考慮環(huán)境溫度、水資源條件、電力電子設(shè)備進水溫度等因素，合理選擇適用的冷卻設(shè)備。