柔直换流阀用相变冷却工质击穿特性研究.pdf

2024年2月电工技术学报Vol.39No.3

第39卷第3期TRANSACTIONSOFCHINAELECTROTECHNICALSOCIETYFeb.2024

DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.221967

柔直换流阀用相变冷却工质击穿特性研究

温英科1阮琳1,2

（1.中国科学院电工研究所北京1001902.中国科学院大学北京100049）

摘要相变冷却技术冷却效率高、安全可靠，有望攻克柔直换流阀散热瓶颈，实现其高压、

大容量发展，在换流阀冷却领域具有良好的应用前景。为实现相变冷却换流阀绝缘系统可靠设计，

该文设计研制了三相态相变冷却工质可调频绝缘特性测试专用平台，并以换流阀用相变冷却工质为

研究对象，依据换流阀典型运行工况，利用专用测试平台开展了相变冷却工质三相态、50～300Hz

频率范围的绝缘击穿特性研究。得到了相变冷却工质击穿特性随工质相态及电压频率的变化规律，

分析了相变冷却工质不同相态的击穿机理，揭示了工质相态和电压频率变化对冷却工质击穿特性

的影响机制。研究工作不仅解决了高频下相变冷却工质的三相态耐压测试方法问题，且所得研究

成果为相变冷却柔直换流阀的绝缘设计奠定了基础，同时可指导相变冷却技术在其他电力电子器

件及装备上的应用。

关键词：换流阀柔性直流输电相变冷却击穿特性高频绝缘

中图分类号：TM46;TM85

0引言3次故障，其中阀冷系统故障1次；发生15次紧急

重大缺陷，其中9次由冷却系统导致。因此，探索

随着可再生能源的快速发展及其电能输送需求

新型高效的冷却方式以弥补水冷技术的不足对提升

的不断提升，柔性直流输电技术广受关注，高压、

大容量是其发展趋势[1]。柔直系统输送容量主要受柔直系统输送容量及可靠性具有重要意义。

相变冷却技术利用高绝缘、沸点适中、安全稳

其核心部件绝缘栅双极型晶体管（InsulatedGate

定的环保有机工质受热沸腾时的气化潜热带走热

BipolarTransistor,IGBT）结温的限制，温度过高、

量，换热效率远高于水冷方式，被冷却部件温升低，

温度梯度过大以及长期热循环造成的疲劳退化都可

温度分布均匀。工质循环系统运行压力接近常压，

能引发IGBT失效，进而威胁柔直输电系统的安全

运行[2-3]。强化换流阀散热、控制IGBT模块温度水降低了管路泄漏风险；同时相变冷却工质绝缘性能

好，不燃不爆，从根本上避免了工质泄漏造成的安

平，是实现安全可靠输电的重要保障和前提。

全隐患，系统可靠性高。无需水处理设备，系统结

目前柔直换流阀多采用水冷散热，依靠冷却水

构简单；无需循环泵，系统自适应、自循环、能耗

比热吸热带走热量，换热能力有限。水冷系统在均

[6-8]

低。目前相变冷却技术已成功应用于发电设备