海底观测网接驳盒电源散热机理研究

　　0前言利用铠装海缆将高压直流电能传输到深远海，在海底将高压电变换成低压电能以供海洋观测仪器使用的海底观测网已经成为当前海洋观测的一种革命性手段。其中的大功率电能变换系统由于必须封装在狭小的耐压金属腔体内，散热成为其长期应用的障碍。所示是一种应用在海底观测网络上的直流2kV转400V的电能变换器，封装在一个内径为25 cm，壁厚为2cm，长度为105cm的钛合金腔体内，其大输出功率为2 000W，转换效率为8085.满载下腔体内部将产生大可达500 W的热量，如没有良好的散热条件，腔内温度将急剧上升而终导致系统寿命缩短甚至失效陆地上的电气设备散热方式多种多样，如风冷、水冷散热方式，或者是基于多孔微热沉技术的散热方式。这些方式均有较高的散热效率，但在水下由于其使用场合特异而几乎不能照搬应用。水下设备的散热方式比较单一，当今先进的ALVIN载人潜器的大功率器件的散热方式是将电气元件联接到一个导热性能较好的散热底座上，底座固连到耐压密封腔体的端盖上，依靠外部冰冷的海水来实现散热，但该方式仅适用于热源集中的场合。先进的水下机器人ASON的动力分配与转换系统的散热也异曲同工，只不过其连接到一个和外部海水相连的具有较大的冷却面积的冷却塞来散热，具有更好的散热效果，而其动力控制系统为可承高压结构而不需要耐压腔体封装，直接通过油管冷却，但该方式仅适用于可承高压的设备。

　　本文所述的电能变换系统元器件多，结构复杂，具有多点散热源，而内部空间狭小，密闭，非变形，元件非承压等特点，有别于其他电力设备，因此，本文提出了一种适合于水下乃至深海密闭腔体大功率电气设备散热的方法。

　　1密封腔散热机理及仿真分析所有散热方式可归结为热传导、热对流、热辐射三种基本传热方式，本研究中热源温度不高，散热以传导和对流为主要方式。封闭腔体的应用环境使得陆地常用的风冷方式变得不可能，由于深海海水温度为04°C，且通常具有一定的流速，是一个的吸收热量的介质，因此桥接电气热源到腔外海水的散热通道是解决散热问题的佳选择。电气器件一般为多点发热源，封闭在腔体内部，热量耗散途径如下：热源一内部热耗散介质一金属腔体一海水，热阻网络如所示。热源和腔内热耗散介质、介质和腔体壁之间存在接触热阻或者对流热阻，而在介质内部或者金属腔体壁内部则存在扩散性传导热阻，其中金属腔体为热导性能的钛合金材料或者不锈钢材料，故金属腔体壁内部传导热阻尺4远远小于其他热阻，可忽略不计，腔体外部和海水间对流热阻办为固定值。另外，沁t和为对流热阻，为介质内部热传导阻抗，这三者都与腔内介质有关。因此，可通过改变腔内热耗散介质的特性而降低热源到海水间的热阻，从而改善散热条件。

　　为便于分析，建立腔体散热膜模型如所示，在点热源t和腔内热耗散介质间存在一个对流热阻层，在介质和腔壁同样存在一个对流热阻层C，腔壁外部和海水存在一个对流热阻层￡。金属腔壁为导热层乃，而对流层、C之间是介质内部导热层B.根据傅里叶定律可推导出、C、D、￡层的传热过程为d层：啦= C层：D层：为表面传热系数，v、矣、戽、4为各层的截面积，4 =d0E，则各层的温度梯度只与其对应的表面传热系数或者导热系数有关，该系数越高，则对应层的温度梯度就越小，具有更低的热阻。而对于S层，由于其为空气或者是散热油等介质，存在层流、湍流、混合流等情况。通常情况下根据瑞利数先判断该部分流体的流动性质，瑞利数时，自然对流处于层流态，当Ra>109时，自然对流处于湍流态，当104　　利用Fluent6.3建立该电能变换器的2D模型进行仿真分析，内部四块散热板设置不同的热流密度以对应于不同的热耗散功率。在Fluent设置腔体壁厚为20mm，腔体壁外部为海水，由于海水通常具有一定的流速，因此腔体壁外可设置为恒温边界条件。为方便与水池试验进行比较，该边界条件设为20°C.腔体内部流体被加热后会受热膨胀而密度发生变化，同时黏度也发生变化，从而造成流体流动，实现热源与腔体壁之间的快速热交换。由于流动速度不高，采用层流模型进行分析，并获取稳态时腔内高温度和腔内、方两点温度。当腔体热耗散介质为空气时，如a所示，高温度和4、S点温度随耗散功率增加而明显上升，对应于500 W耗散功率时，腔内高温度可达303C，出现在热源点上，4、S点温度也达到了227C.而当腔体内部介质为变压器散热油时，如b所示，在相同的耗散功率下，高温度只有46.5C，4、S点温度仅为40 C.可见，腔内充油时的散热效果明显好于空气。

　　2气液结合缓压机理及仿真分析通过在腔体内部灌充高导热系数绝缘油可改善腔体内部散热效果，但同时引入了一个新问题。导热油具有热膨胀性，腔内充满油液且油温上升时，油液膨胀导致油压迅速升高。对于电气设备而言，部分元器件如电解电容等不具备耐压特性，油压低于此类元件中低耐压值是保证设备正常工作的关键。为了缓解油液压强过高，在腔体中预存一定体积的气体，气体具有高压缩比而能够大幅度缓和油液因体积膨胀造成的压强升高。假设气体和液体的温度和压强保持相等，根据理想气体状态方程可得为气体初始温度；P为气体终压强；为气体终体积；为气体终温度；at为气体温度变化量；AVo为油液体积变化量；AVoAT为油液因温度引起的体积变化量；AVtotai为油液因压强引起的体积变化量；Vtotai为腔体内部除去变换器后剩余体积；k为压强系数（压强与标准大气压强的比值）；a为油液热膨胀系数，C为常量。

　　初始气体体积系数为即腔内气体所占介质体积比例与允许上升大温度和允许大压强系数有关。由于气体状态方程是对Clapeyron方程进行线性化处理而来，只适用于低压气体，对于真空或者高压气体都存在较大误差和畸变，同时该研究中的介质压强也不能过高，故限定大压强为5x105Pa.即压强系数fe5.取T=293仿真分析，可得到初始状态时不同气体体积系数下，不同油液温度时的油液压强系数k.从仿真结果可得，当气体体积系数低于0.05时，同时油液温度达到70C时，压强系数超过5，即压强大于5x105 Pa，极易造成电子元器件的性能变化甚至结构损坏。当气体体积系数达到0.1时，即使油液温度达到70C时，油液压强仍然低于2x105 Pa，即油液压强上升幅度低于1x105Pa. 3气液结合缓压试验为验证理论分析，进行了气液结合缓压的测试试验，如所示。

　　中试验用耐压密封腔体内径120 mm，内腔高178mm，内部中间竖直放置一块120mmx60mmx5 mm的薄型电阻式加热板，并在不同位置布置了三个DS18B20温度传感器，加热板的供电线和传感器的信号线通过水密传输缆连接到腔体外部，并分别连接到供电电源和温度监测下位机，下位机通过RS232协议和上位机通信，在上位机监控软件获得三个温度传感器的平均值，腔体上端盖还连接了一个可测内部压力的压力表，其量程为6x105 Pa，精度为0.05x105Pa.测试用的液体为国产25变压器油，热膨胀系=0.000 8C―1.除了内部散热板、温度传感器、连接电线等占用的体积，测得腔体空间剩余体积Vtotai=1.995L.试验时，在腔体中预置一定体积比例的气囊，从腔体上端的充油孔将整个腔体灌满变压器油并密封，然后给加热板供电，为保证腔体内部油液温度比较均衡，使得三个传感器的温度不存在过大梯度，供电的功率低于50W.由于环境温度低于20C，开始时先缓慢加热至油液温度达到20 C时再进行密封，以保证油温为293K（20C）时腔体内充满油液且压强为0.1MPa.总共进行了四组测试，分别为空气体积系数w=0.01，w=0.02，ot=0.05和w=0.10，测试温度区间为2070C，每隔5C记为不同空气体积率下油液压强系数和油液温度的关系图。

　　当空气体积率m=0.01时，油液压强随着温度上升而明显上升，在40°C时已经达到0.5MPa.当空气体积率rn=0.02时，油液压强变化有所缓解，但在50C时也已经接近0.5MPa.当空气体积率rn=0.05时，油液压强得到了明显的缓解，上升速率比较平稳，但超过60C时开始出现明显升压，在70 C时已达到0.45MPa，仍不能满足要求。

　　C以下，油液压强几乎没有变化，当温度达到70 C时，压强也只达到0.8MPa，低于0.2MPa.与进行比较，可发现仿真结果与实际测试存在一定的误差，在m=0.01和0.02时，由于内部空气体积较小，容积测量有一定误差，且油液自身也溶解了部分气体，再加上压力表的管接头存在空气等，测量结果与仿真分析存在较大误差，而随着w值的增大，容积测量误差、油液溶解气体、以及管接头残留空气等的影响变小，m取0.05和0.10时，测量结果与仿真分析结果基本一致。

　　试验结果表明，采用气液结合的方式，是可以缓解散热油压强上升的，而压强上升幅度可由式（7）计算获得。

　　4变换器散热测试及应用根据上面的测试结果可得，为保证直流2 kV转400V电能变换器能够长期稳定运行，其腔体灌充变压器散热绝缘油，同时采用气液结合的方式来抑制压强上升。为保证腔体内部油温上升到70 C时内部压强仍低于0.2MPa，则空气体积率介于510.取L，则可得K=3.607L，即空气体积率为8.8，在室温环境下腔内预留3.607 L的空气即可保证变换器在正常工作温度内运行在低于0.2MPa环境中。实施时，空气密度小且具有流动性，当腔体水平放置时，空气集中在腔体上部分而导致变换器不能完全浸入油中，因此在圆柱耐压腔一端放置一可压缩的初始体积为3.607 L的密封气囊，则缓压气体被集中于一端从而保证油液完全浸没变换器，同时将油液和腔体的接触面扩展到整个耐压腔内壁，改善了散热性能。

　　将变换器和缓压气囊（由于气囊规格没有3.607 L，用一个4L体积的气囊替代，则空气体积率为9.76）装入耐压腔体中，并灌满25变压器绝缘导热油，腔体在模拟深海高压环境的高压仓内进行了20h，30MPa的耐压测试，没有出现漏水与损坏，证明该腔体可在深海3 000m水深环境中运行。为了便于测量，散热性能测试在水池中进行，如所示。线性稳压供电电源将交流220V变换成直流2kV，并通过深海高电压海缆传输到水池中的变换器腔体内部，从腔体另外一端通过深海大电流电力缆连接到水池外面的电子负载上。由于变换器为具有强干扰作用的高频开关电源，且浸没封装在油内，不便内置弱电测量装置，故通过在腔体两边的端盖上分别安装了一个防水的用于测量内部单点油温的温度传感器和一个用于测量油压的压力传感器，温度测量范围为0200 C，压强测量范围为00.6MPa，整个直流变换器腔体浸入水池中，水流速度为零，水温为20C.电子负载设为恒功率模式，负载为1 200W，而该负载下变换器转换效率为82，则耗散功率为263在仿真分析结果上进行线性插值计算可得腔体高温度为36.6C，平均温度为31.9C.由于前面仿真分析的腔体外部边界条件为恒温约束，而水池试验时水为静止状态，故边界条件不能为恒温。

　　单独对水池试验散热进行仿真，在该条件下腔体外壁高温度为25.9 C，即比平均水温高了5.9C.由于该温度变化不大，计算结果可对两个仿真分析进行线性叠加，则可推算出水池试验时腔体内部高温度为42.5 C，平均温度为37.8C. h后，温度测量值终稳定在39°C，介于仿真结果的高温度和平均温度之间，可见，由仿真分析结果可以比较准确的推算出腔内的油温。同时压力表显示的上升油压~终稳定在0.2MPa左右，与理论分析结果一致。可见，腔内导热性能良好，温度和压强都没有明显上升，从而保证变换器能够可靠的运行，同时验证了理论分析与试验的一致性，进而可以根据不同的耗散热量推测出腔内平均温度和油液压强，为一些不易进行温度和压力测量的水下密封腔体提供了推算方式。

　　后，应用了气液结合缓压方法的电源变换器作为海底观测网样机的接驳盒供电设备进行了连续15 d的水池应用。

　　该系统样机由主接驳盒系统样机和次接驳盒系统样机组成，如0所示。其中主接驳盒包含2kV供电电源变换器和主接驳盒控制系统，并放置于水池中，次接驳盒由一个次接驳盒控制系统组成，并放置于42MPa压力的高压仓内，主次接驳盒系统之间的能量和信息传输由一根连接缆实现。此外，三个海洋观测仪器被作为检验设备分别接入主次接驳盒系统。其中，一个多通道温度测量仪接入主接驳盒系统中，一个深海摄像系统和一个单通道温度测量仪接入次接驳盒系统中。各部分仪器的功率损耗见下表。

　　深海摄像系统次接驳盒控制系统表海底观测网系统样机的功率损耗子系统名称大功率Pmax/W平均功率P0/W主接驳盒控制系统次接驳盒控制系统单通道温度测量仪多通道温度测量仪深海摄像系统由表可见，该变换器需提供的大功率为565 W，平均功率为417W，远低于变换器的额定负载，以效率80计算，其需耗散的热量为104.25 W，同时水池的水为静止状态，则根据仿真分析可推测出腔内平均温度为27.7C（水温为20C），因温差为7.7C，则可推测出内部压强约为0.11 15d的水池试验中，该变换器能够可靠稳定的给整个系统提供不间断的电能供给。

　　5结论灌充绝缘导热油介质可改善水下密封腔的散热效果，但存在油液压强上升问题。

　　气液结合方式可解决温升致压强上升过高的问题，对于国产25变压器油，大于8.8的空气体积率可实现温升50 C时压强上升幅度低于0.1MPa.气液结合散热的方法应用在海底观测网系统样机上的大功率直流变换器中，试验测试结果符合理论分析。