摘 要：隨著戶外電網電力設備的發展，集裝箱式SVG(高壓無功補償設備)的應用越來越多，越來越廣泛。由于戶外環境多變，設備的適用性、穩定性、經濟性就顯得尤為重要。常規SVG的損耗較大，需要采用風冷或者水冷來實現散熱。風冷方式不適合惡劣環境使用。水冷方式在小容量的情況下，經濟性較差。本文分析了一種空調內循環的散熱方式，并通過有限元分析來論證其可行性。
關鍵詞：集裝箱式SVG；風冷與水冷；空調內循環；有限元分析
Structural Design and Finite Element Analysis of Internal Circulation of Outdoor SVG with Air Conditioner
Lu Hangyu
(Liaoning Rongxin Xingye Power Electronic Technology Co., Ltd)
Abstract: With the development of outdoor power grid power equipment, container SVG (high voltage reactive power compensation equipment) is more and more widely used. Due to the changeable outdoor environment, the applicability, stability and economy of the equipment are particularly important. Conventional SVG has large loss and needs air cooling or water cooling to realize heat dissipation. Air cooling is not suitable for harsh environment. Water cooling mode has poor economy in the case of small capacity. This paper analyzes a heat dissipation mode of internal circulation of air conditioner, and demonstrates its feasibility through finite element analysis.
Key words: Container SVG; Air cooling and water cooling; Internal circulation of air conditioner; Finite element analysis
1 引言
近年來隨著戶外電網電力設備對于供電需求的不斷增長，集裝箱式SVG在戶外應用得到了長足的發展。高壓SVG設備內有大量的精密元器件，且對地的電壓等級一般在6kV以上。雨、雪、灰塵、鹽霧等都對內部元器件有極大的危害，這就要求集裝箱要對內部有充分的保護，而且要有低成本的優勢。
集裝箱式SVG的常規冷卻方式有風冷和水冷。這兩種方式都有各自的優缺點。
風冷方式造價較低，主要是通過大風量的離心風機強制把設備內部的熱風抽出去，形成負壓后，冷風通過進風口（帶過濾棉）被吸入，這樣與外界進行大量風量交換，達到換熱目的。但是由于是外循環換熱，受環境影響較大，灰塵、雨雪、鹽霧或多或少都會進入，日積月累，危害較大。因此風冷散熱方式只適用于環境較好，且能定期維護的場合。
水冷方式是利用水泵使散熱板中的冷卻液循環并進行散熱。由于冷卻液是內循環，不直接和外部接觸。因此，受環境影響較小，運行穩定可靠，不用經常維護。水冷散熱往往需要更好的用料，在設計和密封性方面也有更高的要求，因此價格也較高。應用在大容量SVG上具有一定成本優勢，但小容量（5MVar以下）的情況下，因為總成本、利潤都較低，所以經濟性較差。
本文分析了一種空調內循環的散熱方式，并與常規兩種散熱方式做比較，輔以有限元模擬軟件分析。
2 結構形式分析
如圖1所示，該斷面為集裝箱側視剖視圖（器件）。
如圖2所示，該斷面為集裝箱側視剖視圖（器件）。
如圖3所示，功率單元三視圖。
全文圖示案例是10kV/1MVar的集裝箱式SVG，它主要是由15個功率單元（3）組成。整體散熱過程從兩方面來介紹。
功率單元（3）內的散熱：SVG內主要的發熱元器件是功率單元3內的IGBT（6），IGBT（6）安裝在鋁型材散熱器上。IGBT通過安裝面把熱量傳遞給鋁型材散熱器（5）上。鋁型材散熱器（5）又通過散熱翅片（7）把熱量發散到翅片之間的空隙空氣中。這時，較低溫度、一定速度（經實驗室的單個功率單元測定，需≥3m/s）的風從鋁型材散熱器翅片（7）空隙經過帶走熱量，達到散熱目的。
功率單元3外的散熱：從功率單元3內被帶走的熱風，被離心風機1強制抽出來，又經過離心風機1、風筒4，熱風吹向空調2的前部，空調2的吹出的冷風與風筒4出來的熱風進行熱交換，中和后的風再被吸入功率單元3的進風口，照此循環往復，達到散熱目的。
在此散熱循環中，集裝箱是基本密閉的。唯一薄弱點是集裝箱能開關的大門。提高焊接與制作工藝，完全可以做到滿足使用的密閉要求。由此可見，風是完全內循環的�；靖艚^了與外環境的聯系。
3 優缺點比較
與常規風冷比較：空調內循環的散熱方式只多出了空調，而且沒有風冷方式所需要的百葉進風口、濾棉等，成本幾乎相差無幾。但是對于環境的適應性要好得多，可以用在惡劣得環境中。
與常規水冷比較：空調內循環的散熱方式只多出了空調，而且沒有水冷機組、水管路、空氣散熱器等等，成本上有很大優勢，環境適應性相差無幾。
空調內循環的散熱方式在大容量SVG設備（5MVar以上）的應用中，以5MVar為例：
注：SVG設備的發熱量與SVG設備的容量關系是通過廠內實驗所得，SVG的發熱量主要是來自功率單元內的IGBT損耗，通過IGBT產品說明書，廠內實測滿載時IGBT的電流和電壓數值，對應查出單個IGBT損耗，SVG設備的發熱量為單個IGBT損耗*總數量。通過多次實驗總結，SVG設備的發熱量占SVG設備的容量的0.7%～1%，這里取最大值。
SVG設備發熱量=5MVar*1%=50kW。
1P空調的制冷量=2.5kW。
需要空調P數=50kW / 2.5kW = 20P。
至少需要20P空調來散熱，空調成本大于水冷機組等的成本，而且日常工作的耗電量巨大。
4 有限元模擬分析
如圖3所示，畫出了風的兩種路徑，一種離風機最近，相應風阻就小。一種離風機最遠，相應風阻就大。帶來一個疑問，大部分風會不會都從路徑1走，而造成路徑2的風速過低，達不到散熱要求（需風速≥3m/s）。
功率單元散熱達標要求分析：全文圖示案例是10kV/1MVar的SVG，內含15個功率單元。
（1）空調的選擇：
SVG設備的發熱量=1MVar*1%=10kW。
1P空調的制冷量=2.5kW。
需要空調P數=10kW / 2.5kW = 4P
（2）風機的選擇：
以常規224-4B離心風機，風壓300Pa為例：
一臺224-4B離心風機的風速
=2000m3/h=0.55m3/s
15臺功率單元出風口的表面積（實際畫圖所得，不贅述）
=（120mm*78mm*2）*15=0.28 m2
所需風量≥0.28 m2*3m/s=0.84m3/s
所需風機數量=(0.84m3/s)/(0.55m3/s)=1.52臺（選2臺）
在以上數據基礎上，2臺2P空調，2臺224-4B風機。通過Flotherm XT來進行風量流速模擬仿真。
如圖4所示，是整體風量流速效果圖，表示實測最底層功率單元。
如圖5所示，是功率單元的出風口的風量流速局部放大效果圖。
通過Flotherm XT來進行的風量流速模擬仿真中，由圖可知：綠色代表風速=3m/s，功率單元的出風口離散熱翅片越近，風速越大。翅片空隙內達到9m/s，出風口表面達到6m/s，均高于6m/s。
最底層即路徑2上的3個功率單元，鋁型材散熱器出風口風速均≥6m/s，均滿足散熱要求。
5 結論
通過對集裝箱式SVG的空調內循環散熱方式的介紹與分析，說明了其適合用在環境惡劣、小容量SVG（5MVar以下）的場合下，經濟性和適用性都較好。仿真分析證明了這種散熱方式的可行性。
集裝箱式SVG不只有風冷和水冷兩種方式，在個別場合下，空調內循環散熱方式是一種更好的選擇。
針對集裝箱式SVG的散熱方式選擇，需根據不同的環境、不同的條件，從產品的穩定、高效、經濟等多方面考慮，選擇更適合的一種。
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