1引言
随着我国煤矿产量的不断提高，井下供电线路不断延伸，各种大功率电气设备也不断增多。传统的只在地面变电所进行无功补偿已经难以满足要求，研制适合井下使用的动态无功补偿设备势在必行。而大功率电力电子设备在煤矿井下含爆炸性气体、高湿度的特殊环境中应用，散热问题是一个亟待解决的关键技术。
发热总伴随着有功损耗，TCR型SVC的有功损耗的主要有以下几部分[1]：
（1）滤波器支路中的电阻造成的损耗；
（2）FC支路中电容器的损耗；
（3）TCR支路中晶闸管的通态损耗和开关损耗；
（4）TCR支路中电抗器的电阻性损耗，它随着TCR电流的增加而增加；
其中，电容器及电抗器的发热密度较小而散热面积大，一般风冷即可满足散热要求。晶闸管的发热密度大，而热承受能力弱，是我们最需要考虑的。另外，TCR型SVC的发热量及有功损耗是随着补偿量的变化而变化的，对于TCR型SVC，最大的发热量发生在浮空状态，也就是当SVC与电力系统之间没有任何功率交换的时候，如图1所示。为保证在任何状态下设备不发生过热，这里的散热问题按发热量最大时考虑。
图1 TCR型SVC发热示意图
对于大功率电力电子设备的散热问题，国内科研工作者已经做了很多有意义的研究工作。本文借鉴了前述工作者的研究手段，并将其应用在对TCR中晶闸管散热问题中，力求得到切实可行的散热方案。
2冷却技术研究及选择
TCR型SVC的发热部件主要为：晶闸管、电抗器、电容器、阻容吸收电路以及辅助电路，考虑到它们的结构迥异及发热密度相差较大，可将隔爆柜设置两个隔爆腔。体积较大而发热密度较小的电抗器和电容器在一个隔爆腔中，采用强制风冷散热。发热密度较大的晶闸管单独放置在一个隔爆腔中，腔中设置冷板，采用间接水冷散热，考虑到方便维护及节约水资源，采用循环水系统。
以大同矿务局为例，当前正在使用在中厚煤层的采煤机电动机功率已达700kW，这样的大功率设备在启动和运行时会造成电压波动危害其他电气设备的运行，故考虑使用隔爆TCR型SVC对其进行补偿。按自然功率因数0.8考虑，设置FC容量为500kVar，TCR支路感性无功容量也为500kVar。设晶闸管总发热功率为H（kW），则根据经验公式得：
H=Q·η=500×0.5％=2.5kW (1)
式中，Q为TCR支路的总无功容量；
η为发热功率占TCR总无功容量的比例；
设冷却水流量为F(L/min)，则：
F=60·H/（4.2×ρ×γ×△T）
=60×2500/（4.2×1000×1000×40）
=0.0008929m3/min
=0.8929L/min (2)
式中，H为晶闸管总发热功率（W）；ρ为水的密度（kg/m3）；γ为水的比热（J/kg·℃）；为允许温升（℃），煤矿井下温度为20℃左右，晶闸管正常工作温度不超过80℃，考虑一定裕量，选择△T为40℃。
由于本循环水系统管道较短，不考虑循环过程中的压力损失，循环泵的流量可选择为5到6倍计算值[2]。这里选择流量5L/min，扬程4m，可选用HSP4050型微型水泵。
按照带走1kW热量需要0.1m3/s风量[3]，可选择风扇直径为380mm，风扇电机的功率为100W。
本文设计的晶闸管的水冷冷板基本外形是一个长方体。冷板安装在隔爆柜主腔内，初步设计冷板尺寸为650mm×500mm×50mm，用铝浇铸而成，为避免冷板内不同位置由于冷却水流速不等而造成的温差，冷板内设置隔板，水的出、入口都位于散热器的一侧，分别接密闭式循环水冷系统的DN15型钢管进水管和出水管，公称管径0.5英寸，壁厚2.75mm，发热源晶闸管布置在一侧面，用导热硅胶粘在冷板表面上。整个水冷系统如图2所示。
图2 循环水冷系统
3水冷系统仿真分析
FLUENT是目前国际上比较流行的商用GFD软件包，可用于二维平面、二维对称轴和三维流体的流动分析，它的湍流模型包括k-ε模型、Reynolds模型、LES模型、标准壁面函数、双层近壁模型等。用户可在FLUENT中定义多种边界条件，如流动入口及出口边界条件。对于有害气体在开放空间的扩散，当出口条件不确定时，可以用质量流率定义出口边界条件。FLUENT还为用户提供了用户自定义程序功能，用户可以根据具体情况设置特定源项和边界条件。
3.1模拟数学函数
湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动。在湍流中流体的速度、压力、温度等各种物理参数都会随着时间和空间发生随机的变化。
湍流运动的结构称为涡结构，无论是简单还是复杂的湍流中都存在着这种结构。湍流看成是由各种不同尺度的涡旋叠合而成的流动，而这些涡旋的大小和旋转轴的方向都是随机分布的。大尺度的涡旋从主流获得能量，然后通过涡旋间的相互作用，将能量逐渐传递给小尺度的涡旋。一般来说，无论湍流简单或复杂，非稳态的Nvaier-StkoeS方程对于湍流的瞬时运动都是适用的。
标准的k-ω≈标准的k-ε
本仿真研究采用主要用来模拟电力电子元件热传导的过程，综合模拟效果及机时考虑采用标准的k-ε模型。下面对该模型基本理论进行简述。
k-ε模型中，湍流动能k和湍流动能耗散率ε相应的输运方程为：
上式中：Gk为由层流速度梯度而产生的湍流动能，
Gb为由浮力产生的湍流动能，
其中，Prt是湍流能量普朗特数，默认值是0.85；对理想气体状态方程，Gb的简化表达式是：
gi为重力在i方向的分量；β为热膨胀系数，其定义式为：
μ为动力粘性；μt为湍流粘性，
Ck、C2ε为常量；σk、σε为k方程和ε方程的湍流Prandtl数；C3ε为常量，
v是流体平行于重力的速度分量，u是垂直于重力的分量。
3.2循环水冷系统Fluent仿真
本节仿真研究的对象主要为晶闸管及水冷冷板，冷板的外形是一个长方体。冷板安装在隔爆柜主腔内，初步设计冷板尺寸为650mm×500mm×50mm。发热源6个晶闸管元件布置在冷板同一侧面，用导热硅胶粘在冷板表面上，为简化建模，简化为一发热长方体。冷板进水管和出水管为DN15型钢管，管径0.5英寸。
仿真边界条件设定[5] [6]：
（1）冷板面的左侧为速度入口，入口水的温度为283K，散热板右侧面为出口，出口的边界条件设置为出流。
（2）流体模型为水，散热器材质为铝。
（3）散热器模型外表和热源模型外表设置为wall，并设置wall的热特性参数为对流壁，使之与空气对流换热。散热器模型与热源模型接触面设置为wall，热特性参数为耦合面[7]。
（4）晶闸管的发热率密度值为2000kW/m3。
仿真模型假设中假设流体的流动为定常流，即流场各点的状态，不随时间变化。入口处水的流速均匀分布，即入口平面各点的速度大小及方向相同。出口处水流各种参数达到稳定值，即出口平面的各个变量的导数为零，且对上游流动没有影响。由于热辐射比重较小，忽略热辐射的影响。设空气对流换热系数为常数，其值设定为10W/（m2·k）[8]。
当入口水流速度为0.15m/s时，发热源和冷板整体温度示意图如图3和图4所示。
图3 温度分布正视图
图4 距底部250mm处冷板水平剖面温度分布图
当入口水流速度为0.20m/s时，发热源和冷板整体温度示意图如图5、图6所示。
图5 温度分布正视图
图6 距底部250mm处冷板水平剖面温度分布图
当入口水流速度为0.26m/s时，发热源和冷板整体温度示意图如图7、图8所示
图7 温度分布正视图
图8 距底部250mm处冷板水平剖面温度分布图
附表 仿真结果
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冷板入口水流速度(m/s)
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热源最高温度(K)
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0.15
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373.62
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0.20
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361.44
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0.26
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356.06
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由附表所示仿真结果可以看出，随着循环水流速的提高，热源最高温度呈下降趋势，当入水口流速为0.26m/s时，基本可以满足散热要求,此时冷却水单位时间流量和前述设计方案值基本相当,验证了前述冷却方案的可行性。
需要指出的是，过强的散热并不一定是合适的。如果隔爆腔中局部过冷会造成冷凝水，严重危害电力电子器件的运行，所以加装一定的防潮设备也是必要的，如在隔爆腔各处加装温度传感器及电热丝，如果局部过冷，利用电热丝加热腔内空气，以保持隔爆腔内干燥。
4结束语
本章对适合煤矿井下使用的隔爆TCR型SVC提出设想，分析了TCR型SVC的发热源，归纳总结了目前电力电子设备散热技术，在此基础上设计了晶闸管的循环水冷却方案，并使用Fluent软件对方案进行仿真验证。为隔爆腔的散热防潮设计提供参考。
作者简介
徐震研究生，就读于中国矿业大学信电学院，研究方向为电能质量与供电安全。
参考文献
[1]R.Mohan Mathur,Rajiv K. Varma.Thyristor-based fscts controllers for electrical transmission systems[M]．John Wiley&Sons,Inc．
[2]Liu H.Smooth sliding mode control of uncertain systems based on a prediction error[J]．International journal of robust and nonlinear control,1997,7(4): 353-372．
[3]Slotinc J J,Sastry SS.Tracking control of nonlinear systems using sliding surfaces with application to robot manipulator[J]．International journal of control,1983,38(2):465-492．
[4]Ghazi R, Azemi A, Badakhshan K P. Adaptive fuzzy sliding mode control of SVC and TCSC for improving the dynamic performance of power systems[C]． Seventh International Conference on AC-DC Power Transmission,2001:333-337．
[5]李雷军．隔爆型大功率开关磁阻电机调速系统关键技术研究与应用[D]．徐州：中国矿业大学，2007．
[6]全振兴．矿用隔爆交流变频器的结构分析及设计[D]．西安：西安理工大学，2007．
[7]支淼川．电力电子设备水冷散热器的数值模拟[D]．保定：华北电力大学，2006．
[8]刘顺隆，邓群．计算流体力学[M]．哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，1998．
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