溫英科 阮 琳,2

柔直換流閥用相變冷卻工質(zhì)擊穿特性研究

溫英科1阮 琳1,2

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

相變冷卻技術(shù)冷卻效率高、安全可靠，有望攻克柔直換流閥散熱瓶頸，實(shí)現(xiàn)其高壓、大容量發(fā)展，在換流閥冷卻領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。為實(shí)現(xiàn)相變冷卻換流閥絕緣系統(tǒng)可靠設(shè)計，該文設(shè)計研制了三相態(tài)相變冷卻工質(zhì)可調(diào)頻絕緣特性測試專用平臺，并以換流閥用相變冷卻工質(zhì)為研究對象，依據(jù)換流閥典型運(yùn)行工況，利用專用測試平臺開展了相變冷卻工質(zhì)三相態(tài)、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(zhì)擊穿特性隨工質(zhì)相態(tài)及電壓頻率的變化規(guī)律，分析了相變冷卻工質(zhì)不同相態(tài)的擊穿機(jī)理，揭示了工質(zhì)相態(tài)和電壓頻率變化對冷卻工質(zhì)擊穿特性的影響機(jī)制。研究工作不僅解決了高頻下相變冷卻工質(zhì)的三相態(tài)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(shè)計奠定了基礎(chǔ)，同時可指導(dǎo)相變冷卻技術(shù)在其他電力電子器件及裝備上的應(yīng)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(fā)展及其電能輸送需求的不斷提升，柔性直流輸電技術(shù)廣受關(guān)注，高壓、大容量是其發(fā)展趨勢[1]。柔直系統(tǒng)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(jié)溫的限制，溫度過高、溫度梯度過大以及長期熱循環(huán)造成的疲勞退化都可能引發(fā)IGBT失效，進(jìn)而威脅柔直輸電系統(tǒng)的安全運(yùn)行[2-3]。強(qiáng)化換流閥散熱、控制IGBT模塊溫度水平，是實(shí)現(xiàn)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(tǒng)在均壓電極、水管接頭等部位易發(fā)生腐蝕結(jié)垢，垢樣堵塞會降低系統(tǒng)冷卻效率，嚴(yán)重的可燒毀電氣元器件，甚至引發(fā)火災(zāi)。為保障系統(tǒng)絕緣，內(nèi)冷水需保持極高的純度，但系統(tǒng)在長期運(yùn)行中，內(nèi)冷水易與金屬管道發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生導(dǎo)電離子破壞其絕緣性能。此外，循環(huán)管路運(yùn)行壓力高，冷卻水泄漏風(fēng)險高，系統(tǒng)存在安全隱患。同時水冷系統(tǒng)需配備水處理、循環(huán)泵等設(shè)備，系統(tǒng)復(fù)雜，可靠性低[4-5]。據(jù)南方電網(wǎng)公司統(tǒng)計，2015年換流閥及閥冷系統(tǒng)共發(fā)生3次故障，其中閥冷系統(tǒng)故障1次；發(fā)生15次緊急重大缺陷，其中9次由冷卻系統(tǒng)導(dǎo)致。因此，探索新型高效的冷卻方式以彌補(bǔ)水冷技術(shù)的不足對提升柔直系統(tǒng)輸送容量及可靠性具有重要意義。

相變冷卻技術(shù)利用高絕緣、沸點(diǎn)適中、安全穩(wěn)定的環(huán)保有機(jī)工質(zhì)受熱沸騰時的氣化潛熱帶走熱量，換熱效率遠(yuǎn)高于水冷方式，被冷卻部件溫升低，溫度分布均勻。工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行壓力接近常壓，降低了管路泄漏風(fēng)險；同時相變冷卻工質(zhì)絕緣性能好，不燃不爆，從根本上避免了工質(zhì)泄漏造成的安全隱患，系統(tǒng)可靠性高。無需水處理設(shè)備，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單；無需循環(huán)泵，系統(tǒng)自適應(yīng)、自循環(huán)、能耗低。目前相變冷卻技術(shù)已成功應(yīng)用于發(fā)電設(shè)備[6-8]、低壓電器設(shè)備[9]、大科學(xué)儀器[10]、IT設(shè)備[11]等領(lǐng)域，并已在電力電子裝置[12-16]領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)示范應(yīng)用。相變冷卻技術(shù)可實(shí)現(xiàn)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(shù)，有機(jī)工質(zhì)在換熱原理、材料屬性等方面與冷卻水有本質(zhì)區(qū)別。其最突出的特征為有機(jī)工質(zhì)利用相變潛熱實(shí)現(xiàn)高效散熱，這意味著系統(tǒng)運(yùn)行中，相變冷卻工質(zhì)并不是以單一液相存在，而是根據(jù)熱源分布及冷卻結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)不同空間位置液相、氣液兩相及純氣相工質(zhì)三種工作相態(tài)（后文簡稱“三相態(tài)”）相互轉(zhuǎn)化，自主調(diào)節(jié)，動態(tài)共存，每種工作相態(tài)又對應(yīng)不同的工質(zhì)主流溫度及沸騰強(qiáng)度，工質(zhì)運(yùn)行狀態(tài)復(fù)雜。

液相工質(zhì)中氣泡的產(chǎn)生會降低冷卻工質(zhì)絕緣強(qiáng)度，存在引發(fā)絕緣問題的風(fēng)險[17]。在發(fā)熱量集中的功率器件附近，冷卻工質(zhì)經(jīng)常運(yùn)行于氣液兩相狀態(tài)甚至純氣相狀態(tài)，形成了系統(tǒng)絕緣的薄弱環(huán)節(jié)。因此冷卻工質(zhì)的三相態(tài)絕緣擊穿特性是相變冷卻技術(shù)工程應(yīng)用中重點(diǎn)關(guān)注的性能之一。中科院電工所牛文豪等設(shè)計了制冷用氟碳介質(zhì)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(tǒng)壓力下氟碳介質(zhì)液相、氣相及兩相流狀態(tài)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(huán)保型氟碳介質(zhì)在變壓器、氣體絕緣輸電管道（Gas Insulated transmission Line, GIL）等領(lǐng)域替代SF6氣體的可行性[18-20]。華北電力大學(xué)莫申揚(yáng)等研究了相變冷卻技術(shù)應(yīng)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(zhì)兩相流的局部放電統(tǒng)計特性，分析了氣泡運(yùn)動對兩相流放電特性的影響，并開展了相變冷卻工質(zhì)不同相態(tài)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(zhì)擊穿特性研究尚未形成統(tǒng)一的實(shí)驗方法，需要依據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的熱源及電場分布情況通過特定的實(shí)驗裝置對冷卻工質(zhì)狀態(tài)及電場進(jìn)行模擬。現(xiàn)有公開文獻(xiàn)中針對相變冷卻工質(zhì)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(shù)電力電子裝備，其通常運(yùn)行于高于工頻的某頻率點(diǎn)或頻率區(qū)間。當(dāng)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?fù)?，其功率器件開關(guān)頻率的典型值為100～300 Hz[24]，循環(huán)流動的相變冷卻工質(zhì)需要承受相應(yīng)頻率的電壓負(fù)荷，電壓頻率的變化同樣會對工質(zhì)的擊穿特性產(chǎn)生影響，顯然僅研究工頻下相變冷卻工質(zhì)的擊穿特性不足以指導(dǎo)實(shí)際工程應(yīng)用。分析并掌握冷卻工質(zhì)不同相態(tài)、不同頻率下的絕緣擊穿特性是對換流閥相變冷卻系統(tǒng)進(jìn)行絕緣設(shè)計、保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行的前提，對相變冷卻技術(shù)在電力電子裝備領(lǐng)域的成功應(yīng)用至關(guān)重要。

本文以某環(huán)保型室溫相變冷卻工質(zhì)為研究對象，依據(jù)柔直換流閥運(yùn)行頻率區(qū)間，開展相變冷卻工質(zhì)擊穿特性研究。由于相變冷卻工質(zhì)的強(qiáng)揮發(fā)性及變頻測試需求，本文首先設(shè)計并搭建三相態(tài)相變冷卻工質(zhì)可調(diào)頻絕緣特性測試專用平臺，進(jìn)而得到相變冷卻工質(zhì)三相態(tài)、50～300 Hz頻率范圍內(nèi)的絕緣擊穿特性變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上分析相變冷卻工質(zhì)不同相態(tài)的擊穿機(jī)理，以及工質(zhì)相態(tài)和電壓頻率變化對冷卻工質(zhì)擊穿特性的影響機(jī)制。

1 實(shí)驗平臺及實(shí)驗方案

1.1 實(shí)驗平臺

三相態(tài)相變冷卻工質(zhì)可調(diào)頻絕緣特性測試平臺如圖1所示，平臺由可調(diào)頻耐壓測試源、冷卻工質(zhì)三相態(tài)耐壓測試腔體及監(jiān)測系統(tǒng)三部分構(gòu)成。

圖1 三相態(tài)相變冷卻工質(zhì)可調(diào)頻絕緣特性測試平臺

耐壓測試源與三相態(tài)耐壓測試腔體相連接，對相變冷卻工質(zhì)施加測試電壓。耐壓測試源可實(shí)現(xiàn)輸出電壓頻率、幅值、上升速率、過電流保護(hù)值的調(diào)節(jié)，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(hù)值為1～20 mA。限流電阻用于對系統(tǒng)擊穿瞬間的擊穿電流進(jìn)行限幅，保護(hù)測試設(shè)備，同時防止擊穿電流過大引起冷卻工質(zhì)分解。

三相態(tài)耐壓測試腔體密封性良好，前后設(shè)置觀察窗為冷卻工質(zhì)擊穿測試提供密封、可視化條件，且腔體結(jié)構(gòu)滿足高頻絕緣要求，如圖2所示。

圖2 冷卻工質(zhì)三相態(tài)耐壓測試腔體

耐壓測試腔體內(nèi)設(shè)有加熱系統(tǒng)，含2塊鋁加熱塊及1塊陶瓷加熱塊。鋁加熱塊位于腔體內(nèi)兩側(cè)邊緣，用于調(diào)節(jié)冷卻工質(zhì)主流溫度；陶瓷加熱塊位于電極正下方，用于控制電極區(qū)域冷卻工質(zhì)熱流密度，使冷卻工質(zhì)處于不同沸騰狀態(tài)，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(zhì)中，用于兩次擊穿之間的介質(zhì)攪拌，使其絕緣恢復(fù)。測試腔上方安裝調(diào)壓閥，通過調(diào)節(jié)調(diào)壓閥開關(guān)狀態(tài)及冷凝器冷卻水流量控制腔體壓力。

監(jiān)測系統(tǒng)包括壓力溫度采集裝置、攝像頭、示波器等，實(shí)現(xiàn)測試腔體內(nèi)部壓力、工質(zhì)溫度、工質(zhì)沸騰狀態(tài)、輸出電壓波形質(zhì)量及電壓值監(jiān)測。冷卻工質(zhì)內(nèi)以點(diǎn)陣方式空間均勻排布5個熱電偶測溫點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)冷卻工質(zhì)溫度實(shí)時監(jiān)測。

實(shí)驗用圓盤形平行板電極按照電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL 429.9—1991《絕緣油介電強(qiáng)度測定法》制造，如圖3所示。當(dāng)耐壓測試源輸出電壓頻率增加時，由于系統(tǒng)分布電容效應(yīng)逐漸凸顯，導(dǎo)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(zhì)可靠擊穿，實(shí)驗設(shè)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(tài)、頻率變化對冷卻工質(zhì)擊穿特性影響相關(guān)結(jié)論具有普適性。

圖3 實(shí)驗用圓盤形平行板電極

1.2 實(shí)驗方案

使用三相態(tài)相變冷卻工質(zhì)可調(diào)頻絕緣特性測試平臺，以柔直換流閥用環(huán)保型室溫相變冷卻工質(zhì)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(zhì)狀態(tài)下，50～300 Hz頻率范圍內(nèi)的冷卻工質(zhì)絕緣擊穿特性測試研究。所選用冷卻工質(zhì)在一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的沸點(diǎn)溫度為47.6℃，實(shí)驗設(shè)定各工質(zhì)狀態(tài)見表1。

液相及氣液兩相工質(zhì)擊穿測試時，介質(zhì)液面應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)大氣壓。氣相工質(zhì)擊穿測試時，通過排除腔體內(nèi)空氣、調(diào)節(jié)水量、控制液面高度，確保電極間為工質(zhì)全蒸汽狀態(tài)且腔體內(nèi)壓力保持一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

表1 相變冷卻工質(zhì)實(shí)驗狀態(tài)

Tab.1 Experimental states of phase change coolant

為得到擊穿電壓分布規(guī)律，每種工況下至少進(jìn)行42次擊穿測試，每兩次擊穿之間對冷卻工質(zhì)進(jìn)行攪拌，使冷卻工質(zhì)絕緣恢復(fù)。

2 實(shí)驗結(jié)果

2.1 擊穿特性隨工質(zhì)相態(tài)的變化

基于工頻實(shí)驗數(shù)據(jù)，將表1中各相態(tài)工質(zhì)的擊穿電壓取平均值，并與擊穿電壓實(shí)測值同繪于圖中，可得冷卻工質(zhì)工頻擊穿電壓隨相態(tài)的變化如圖4所示。

圖4 冷卻工質(zhì)工頻擊穿電壓隨相態(tài)的變化

由圖4可知工質(zhì)不同相態(tài)的絕緣擊穿特性如下：

1）液相擊穿：隨著工質(zhì)溫度的上升，液相工質(zhì)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(shù)據(jù)分散程度逐漸減小。

2）兩相態(tài)擊穿：隨著熱流密度的增加，氣液兩相工質(zhì)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(wěn)定。擊穿電壓數(shù)據(jù)分散度與熱流密度呈強(qiáng)相關(guān)，=0.83 W/cm2時擊穿電壓數(shù)據(jù)分散度與液相工質(zhì)擊穿相當(dāng)；=3.33～5.20 W/cm2時擊穿電壓數(shù)據(jù)分散度顯著增大；隨著熱流密度繼續(xù)增加，當(dāng)≥6.52 W/cm2時數(shù)據(jù)分散度又逐漸減小。

3）氣相擊穿：氣相工質(zhì)擊穿電壓平均值略低于氣液兩相態(tài)工質(zhì)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(shù)據(jù)分散度大大降低。

隨著電壓頻率的增加，冷卻工質(zhì)擊穿特性隨相態(tài)的變化規(guī)律與工頻實(shí)驗數(shù)據(jù)一致，如圖5所示。為簡潔，圖中僅顯示各頻率下工質(zhì)擊穿電壓平均值。

圖5 不同頻率冷卻工質(zhì)擊穿電壓隨相態(tài)的變化

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

目前，用于絕緣材料擊穿實(shí)驗的數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法主要有Weibull分布、Gumbel分布和對數(shù)正態(tài)分布等[25]。已有研究表明[18,23]，雙參數(shù)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(guān)系。雙參數(shù)Weibull分布概率密度函數(shù)及累積概率分布函數(shù)分別為

對式（2）兩邊取兩次對數(shù)，可得

現(xiàn)對冷卻工質(zhì)不同工作相態(tài)下的工頻擊穿電壓實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2.1.1 液相工質(zhì)擊穿特性統(tǒng)計分析

液相工質(zhì)擊穿前及擊穿瞬間如圖6所示。

圖6 液相工質(zhì)擊穿

以36℃冷卻工質(zhì)液相工頻擊穿電壓樣本為例，以為橫坐標(biāo)，以為縱坐標(biāo)，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(shù)據(jù)線性度良好。以同樣的方法對其他溫度下液相工質(zhì)擊穿電壓進(jìn)行檢驗，均具有良好的線性度，故認(rèn)為液相工質(zhì)工頻擊穿電壓服從雙參數(shù)Weibull分布。

圖7 液相工質(zhì)擊穿電壓Weibull分布線性度檢驗圖

不同溫度下液相工質(zhì)工頻擊穿電壓統(tǒng)計分析結(jié)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(shù)據(jù)一致性良好。為簡潔，圖9中僅顯示24℃時工質(zhì)擊穿電壓樣本數(shù)據(jù)。液相工質(zhì)擊穿電壓分布范圍為26.6～54.4 kV。由圖9可知，當(dāng)擊穿電壓大于43 kV時，相同電壓下?lián)舸└怕孰S工質(zhì)溫度上升而增加；反之，當(dāng)擊穿電壓較低時，擊穿概率隨工質(zhì)溫度上升而下降。

圖8 各溫度液相工質(zhì)工頻擊穿電壓概率密度分布

圖9 各溫度液相工質(zhì)工頻擊穿電壓累積概率分布

表2 液相工質(zhì)工頻擊穿電壓分布參數(shù)擬合

Tab.2 Breakdown voltage distribution parameters of liquid coolant

2.1.2 氣相工質(zhì)擊穿特性統(tǒng)計分析

氣相工質(zhì)擊穿前及擊穿瞬間如圖10所示。

圖10 氣相工質(zhì)擊穿實(shí)驗

繪制氣相工質(zhì)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(shù)據(jù)線性度良好，服從雙參數(shù)Weibull分布。

圖11 氣相工質(zhì)擊穿電壓Weibull分布線性度檢驗圖

氣相工質(zhì)工頻擊穿電壓統(tǒng)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(shù)據(jù)一致性良好。氣相工質(zhì)擊穿電壓分布范圍為20.6～22.4 kV。

圖12 氣相工質(zhì)工頻擊穿電壓概率統(tǒng)計

表3 氣相工質(zhì)工頻擊穿電壓分布參數(shù)擬合

Tab.3 Breakdown voltage distribution parameters of gas coolant

2.1.3 氣液兩相工質(zhì)擊穿特性統(tǒng)計分析

氣液兩相工質(zhì)不同熱流密度下工質(zhì)沸騰狀態(tài)及擊穿瞬間如圖13所示。

圖13 氣液兩相工質(zhì)擊穿實(shí)驗

以=0.83 W/cm2和=3.33 W/cm2時冷卻工質(zhì)兩相態(tài)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(dāng)=0.83 W/cm2時，擊穿電壓樣本數(shù)據(jù)線性度良好，服從雙參數(shù)Weibull分布；≥3.33 W/cm2時，擊穿電壓不再服從雙參數(shù)Weibull分布，這是由于兩相態(tài)工質(zhì)狀態(tài)的不穩(wěn)定性及擊穿機(jī)理的復(fù)雜性導(dǎo)致的。

圖14 兩相工質(zhì)擊穿電壓Weibull分布線性度檢驗圖

不同熱流密度下兩相態(tài)工質(zhì)工頻擊穿電壓樣本概率密度分布如圖15所示。

兩相態(tài)工質(zhì)擊穿電壓隨著熱流密度的增加，整體呈現(xiàn)下降趨勢，擊穿電壓分布特性與工質(zhì)沸騰狀態(tài)強(qiáng)相關(guān)，并呈現(xiàn)如下規(guī)律：

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

圖15 兩相工質(zhì)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(zhì)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(zhì)可能出現(xiàn)多種擊穿過程：液相擊穿、一個或多個氣泡串聯(lián)液相擊穿、氣相擊穿，工質(zhì)狀態(tài)不穩(wěn)定，擊穿機(jī)理復(fù)雜。擊穿電壓均值大幅降低，數(shù)據(jù)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(xiàn)“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(zhì)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(zhì)中含氣量繼續(xù)增大，兩電極間的氣相工質(zhì)將液相工質(zhì)排擠到電極表面，在電極中間形成較穩(wěn)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(wěn)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(jù)表1開展冷卻工質(zhì)三相態(tài)、50～300 Hz頻率范圍的擊穿特性試驗研究。工質(zhì)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(zhì)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(zhì)條件下，當(dāng)熱流密度較?。?0.83 W/cm2）及較大（=8.52 W/cm2）時，工質(zhì)擊穿特性分別類似于液相工質(zhì)和氣相工質(zhì)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(dāng)=3.33～6.52 W/cm2時，工質(zhì)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(tài)，擊穿電壓平均值隨著所施加電壓頻率的上升呈現(xiàn)先上升后下降的特點(diǎn)。

圖16 冷卻工質(zhì)擊穿電壓均值隨頻率的變化

選取冷卻工質(zhì)三種典型相態(tài)：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(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2.2.1 液相工質(zhì)不同頻率擊穿特性統(tǒng)計分析

24℃液相工質(zhì)不同頻率下?lián)舸╇妷壕碾p參數(shù)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(shù)、形狀參數(shù)見表4。

圖17 液相工質(zhì)不同頻率擊穿電壓概率密度分布

當(dāng)=50～100 Hz時，擊穿電壓隨頻率上升變化不明顯；當(dāng)=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(biāo)向左側(cè)移動，下降，液相工質(zhì)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(dāng)=300 Hz時，擊穿電壓分散度大大降低。

圖18 液相工質(zhì)不同頻率擊穿電壓累積概率分布

表4 24℃液相工質(zhì)不同頻率擊穿電壓分布參數(shù)擬合

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

2.2.2 氣相工質(zhì)不同頻率擊穿特性統(tǒng)計分析

氣相工質(zhì)不同頻率下?lián)舸╇妷和瑯臃碾p參數(shù)Weibull分布，各頻率下?lián)舸╇妷焊怕拭芏确植技袄鄯e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(shù)、形狀參數(shù)見表5。

圖19 氣相工質(zhì)不同頻率擊穿電壓概率密度分布

圖20 氣相工質(zhì)不同頻率擊穿電壓累積概率分布

表5 氣相工質(zhì)不同頻率擊穿電壓分布參數(shù)擬合

Tab.5 Breakdown voltage distribution parameters of gas coolant

當(dāng)=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(biāo)向左側(cè)移動，下降，氣相工質(zhì)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(zhì)不同頻率擊穿特性統(tǒng)計分析

氣液兩相工質(zhì)擊穿電壓不再服從Weibull分布。當(dāng)=5.20 W/cm2時，氣液兩相工質(zhì)不同頻率下?lián)舸╇妷簶颖靖怕拭芏确植既鐖D21所示。隨著頻率上升，氣液兩相工質(zhì)擊穿電壓最高值逐漸下降；擊穿電壓低值在50～150 Hz頻率區(qū)間逐漸上升，后在200～300 Hz頻率區(qū)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(guān)聯(lián)。

圖21 兩相工質(zhì)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(zhì)擊穿機(jī)理分析

電場作用下，氣體間隙中帶電粒子的產(chǎn)生與消失決定了氣相工質(zhì)放電現(xiàn)象的強(qiáng)弱與發(fā)展。本文中，短間隙均勻電場中氣相工質(zhì)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(zhì)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(qiáng)度增加，自由電子在電場作用下從陰極向陽極作定向運(yùn)動，在此過程中電子被加速而獲得動能，當(dāng)其動能積累到一定數(shù)值后，與中性氣相工質(zhì)分子發(fā)生碰撞引起中性氣相工質(zhì)分子電離。電離產(chǎn)生出的新生電子又與初始電子一起繼續(xù)參與中性氣相工質(zhì)分子的碰撞電離，從而使氣體間隙中的電子數(shù)目急劇增加，引發(fā)電子崩，導(dǎo)致間隙中氣相工質(zhì)擊穿。此時氣體間隙中電流突增，在大氣壓下表現(xiàn)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(zhì)點(diǎn)電荷量、電場強(qiáng)度及碰撞前的行程有關(guān)，即

式中，為粒子質(zhì)量；為粒子運(yùn)動速度。

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

由式（6）可知，為產(chǎn)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(qiáng)度，可提高碰撞電離及工質(zhì)擊穿發(fā)生的概率。

3.2 液相工質(zhì)擊穿機(jī)理分析

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

隨著工質(zhì)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(fā)生電離，故溫度上升有利于碰撞電離的產(chǎn)生及發(fā)展，因此液相工質(zhì)擊穿電壓最大值隨溫度上升有較明顯的降低，擊穿電壓數(shù)據(jù)分散度隨之逐漸減小。圖9顯示，當(dāng)擊穿電壓較低時，擊穿概率隨工質(zhì)溫度上升呈現(xiàn)降低趨勢。這主要是由于低擊穿電壓區(qū)域液相工質(zhì)擊穿過程受氣泡和雜質(zhì)影響較大，液體溫度較高時，測試腔內(nèi)部加熱塊局部區(qū)域工質(zhì)沸騰劇烈，腔體內(nèi)工質(zhì)流動加強(qiáng)，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(tài)工質(zhì)擊穿機(jī)理分析

當(dāng)冷卻工質(zhì)處于氣液兩相狀態(tài)時，平行板電極間形成氣液復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)，兩相態(tài)工質(zhì)擊穿是氣相工質(zhì)擊穿和液相工質(zhì)擊穿的級聯(lián)過程。

將氣泡界面簡化為液相工質(zhì)和氣相工質(zhì)的分界面，在此分界面兩側(cè)電場分布滿足

式中，l和g分別為液相工質(zhì)和氣相工質(zhì)相對介電常數(shù)；l和g分別為液相工質(zhì)和氣相工質(zhì)中電場強(qiáng)度分量；為分界面上的自由電荷面密度。當(dāng)不考慮分界面上電荷分布時，有

可知?dú)馀葜械碾妶鰪?qiáng)度與液相工質(zhì)中的電場強(qiáng)度與各自的介電常數(shù)成反比分布。對于相變冷卻工質(zhì)，氣相工質(zhì)相對介電常數(shù)可視為1，液相工質(zhì)相對介電常數(shù)通常大于1，所以氣泡內(nèi)電場強(qiáng)度較大，同時氣相工質(zhì)擊穿場強(qiáng)又遠(yuǎn)小于液相工質(zhì)擊穿場強(qiáng)，因此當(dāng)放電通路上存在一個或多個氣泡時，電離首先發(fā)生于氣泡內(nèi)部。當(dāng)氣泡發(fā)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(zhì)上，放電通道上液體絕緣距離降低，當(dāng)液相工質(zhì)中的場強(qiáng)超過其擊穿場強(qiáng)時，剩余液相工質(zhì)被擊穿，至此整個電極間隙完全擊穿[19]。氣泡的產(chǎn)生將降低冷卻工質(zhì)絕緣強(qiáng)度，由實(shí)驗數(shù)據(jù)可知，氣液兩相工質(zhì)擊穿電壓平均值介于液相工質(zhì)擊穿電壓平均值和氣相工質(zhì)擊穿電壓平均值之間。

當(dāng)=0.83 W/cm2時，熱流密度較小，此時電場作用下氣泡運(yùn)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(yùn)動軌跡發(fā)生偏移，沿電極外側(cè)向兩邊散開偏離強(qiáng)電場區(qū)域，氣泡內(nèi)電場強(qiáng)度無法達(dá)到電離條件，電極間仍為液相擊穿，故氣泡對工質(zhì)擊穿電壓影響不大。隨著熱流密度增加，氣泡數(shù)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(qū)域，故兩相態(tài)工質(zhì)擊穿電壓均值受氣泡影響下降。由于擊穿通道的隨機(jī)性，極間擊穿可能出現(xiàn)液相工質(zhì)擊穿、氣相液相工質(zhì)級聯(lián)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(dāng)熱流密度較大時，電極區(qū)域被氣泡包裹，電極間形成較穩(wěn)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(yùn)動軌跡

3.4 電壓頻率對冷卻工質(zhì)擊穿特性影響分析

在具有穩(wěn)定頻率為的正弦交變電場作用下，單位體積電介質(zhì)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(shù)；r為電介質(zhì)相對介電常數(shù)；tan為介質(zhì)損耗因數(shù)。

對于平行板電極間均勻電場區(qū)域的電介質(zhì)，其總損耗功率為

式中，為介質(zhì)體積；為電極所加電壓；為兩電極及極間介質(zhì)所構(gòu)成電容器的容值。

本文所用冷卻工質(zhì)為非極性電介質(zhì)，經(jīng)實(shí)驗測試在50～300 Hz頻率范圍內(nèi)，冷卻工質(zhì)介電常數(shù)及介質(zhì)損耗因數(shù)隨頻率的變化可忽略不計，介電常數(shù)與溫度呈負(fù)相關(guān)，介質(zhì)損耗因數(shù)與溫度呈正相關(guān)。

由式（10）可知，對于液相工質(zhì)及氣相工質(zhì)擊穿，隨著電壓頻率的上升，電極間介質(zhì)損耗增大，介質(zhì)溫度上升，此時介質(zhì)損耗因數(shù)也同步上升，介電常數(shù)雖稍有下降但無法影響介質(zhì)損耗及溫升的增長趨勢，故電極間介質(zhì)發(fā)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(fā)生，故冷卻工質(zhì)擊穿電壓下降。由于氣相工質(zhì)體積膨脹系數(shù)大于液相工質(zhì)，因此氣相工質(zhì)擊穿電壓受頻率的影響比液相工質(zhì)更加明顯。

對于=3.33～6.52 W/cm2時的兩相態(tài)工質(zhì)擊穿，在50～150 Hz頻率區(qū)間擊穿電壓隨頻率增加略有上升趨勢，這是因為兩相態(tài)工質(zhì)的流動對電極區(qū)域工質(zhì)造成了擾動，一方面不利于電極間工質(zhì)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(jìn)而降低了工質(zhì)擊穿概率。隨著電壓頻率進(jìn)一步上升，工質(zhì)損耗增加影響逐漸凸顯，冷卻工質(zhì)擊穿電壓隨頻率上升而下降。

4 結(jié)論

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

1）不同頻率下冷卻工質(zhì)擊穿特性隨相態(tài)變化規(guī)律一致：液相工質(zhì)擊穿電壓平均值隨工質(zhì)溫度上升略有下降，基本維持穩(wěn)定；氣液兩相工質(zhì)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(zhì)擊穿電壓值及數(shù)據(jù)分散度最小。液相和氣相工質(zhì)擊穿電壓服從雙參數(shù)Weibull分布，氣液兩相工質(zhì)擊穿電壓不服從雙參數(shù)Weibull分布。

2）隨著電壓頻率上升，液相和氣相工質(zhì)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(zhì)擊穿電壓表現(xiàn)出不同的頻率相關(guān)性：當(dāng)熱流密度較小及較大時，兩相工質(zhì)擊穿電壓均值隨電壓頻率上升而下降；當(dāng)熱流密度處于中間過渡區(qū)間時，兩相工質(zhì)擊穿電壓均值隨頻率上升先增大后減小。

3）冷卻工質(zhì)擊穿起始于其內(nèi)部帶電粒子與中性分子發(fā)生碰撞電離。帶電粒子、碰撞前自由程、一定的電場強(qiáng)度是碰撞電離產(chǎn)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(qiáng)度，均可提高工質(zhì)擊穿概率；反之，工質(zhì)擊穿概率降低。冷卻工質(zhì)溫度上升、氣化、高頻熱效應(yīng)均會使工質(zhì)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(chǎn)生及發(fā)展，引起擊穿電壓降低。

4）本文所研究相變冷卻工質(zhì)氣相介電強(qiáng)度最小值為10.2 kV/mm（300 Hz）～13.7 kV/mm（50 Hz），其絕緣性能優(yōu)于SF6氣體，與變壓器油相當(dāng)。為保證相變冷卻換流閥絕緣系統(tǒng)可靠性，應(yīng)考慮換流閥實(shí)際運(yùn)行頻率，以氣態(tài)相變冷卻工質(zhì)高頻點(diǎn)介電強(qiáng)度為主要依據(jù)進(jìn)行冷卻工質(zhì)選型及閥體絕緣設(shè)計。

綜上所述，本文研究工作解決了換流閥典型運(yùn)行頻率區(qū)間相變冷卻工質(zhì)三相態(tài)耐壓測試問題，研究方法可用于換流閥冷卻工質(zhì)選型，所得結(jié)論可指導(dǎo)相變冷卻換流閥絕緣系統(tǒng)設(shè)計。研究成果對于相變冷卻技術(shù)在其他電力電子器件、裝備領(lǐng)域的應(yīng)用具有指導(dǎo)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(xué)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(shù)在電力電子裝備領(lǐng)域的基礎(chǔ)及應(yīng)用。E-mail：wenyingke@mail.iee.ac.cn

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

（編輯 李 冰）