在现有的电力电子设备水冷系统中，通常采用空冷器或冷却塔作为外部冷却设备，不适合常年高温缺水地区应用。研究员张惠良、刘金阁在2021年第一期《电气技术》上撰文。建议使用外部冷却系统。这个想法是使用冷却器直接冷却去离子水。通过实际工程应用，验证了方案的可行性，

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目前，国内外输配电用电力电子阀水冷系统的室外换热器分为水冷、风冷或两种混合冷却方式。采用水冷时，一般采用冷却塔；采用风冷时，一般采用空冷器。近年来，在输配电电力电子设备水冷系统的实际工程应用中，多采用空冷器，少数工程也采用冷却塔。

但是，使用空气冷却器需要环境温度低于被冷却物体的进水温度。当环境温度高于50℃时，冷却系统效率下降，电力电子设备温度升高，使用寿命降低，从而影响其正常使用；如果使用冷却塔，项目场地必须有充足的水资源。因此，在高温缺水地区，上述两种降温方式的应用受到限制。

因此，有必要研究一种能适应高温缺水地区应用，满足输配电电力电子设备冷却要求，保证电力电子设备可靠运行的水冷系统。

1 水冷系统简介

1.1 水冷系统的工作原理

输配电中电力电子设备的冷却系统一般采用闭式循环冷却方式。包括主循环泵组、换热器、控制保护系统及管路，其中主水泵组包括主水泵、去离子树脂回路、稳压回路；或多个设备。其主要工作原理如图1所示。

冷却介质（纯水或水与防冻剂的混合物，即去离子水）经主水泵增压后，经水管进入换热器（空冷器或冷却塔），进行热交换与室外空气一起达到降低温度的目的，然后流经电力电子设备的阀组，带出电力电子设备运行产生的热量，使温度升高。加热后的冷却介质通过脱气罐返回主水泵进口，形成闭式循环回路。， 等等等等。

为了保证电力电子设备的可靠运行，冷却水需要满足电力电子设备运行的电导率要求。为此，部分冷却介质需要通过离子交换器对系统中的冷却水进行连续处理，使其达到电力电子设备所需的电导率值。

图1 闭式水冷系统工作原理

1.2 空气冷却器

空气冷却器利用空气来实现热交换，从而达到降低水温的目的。与冷却塔相比，空冷器具有节约水资源、节省维护成本、减少环境破坏和污染等优点。

冷风机由带罩或套管的管束、风机和电机、配电箱、集水管、钢结构等附件组成。热的冷却介质在管束中流动，风机带动空气流过管束，吹过管束，使管束内的高温介质冷却，实现热交换。

空冷器广泛应用于国内外电力电子设备的冷却系统中。选用该设备时，被冷却设备的进水温度一般高于环境的极端温度，最好大于5℃，设备散热效果理想，设备成本经济。由于电力电子设备进水温度和环境温度的限制，当电力电子设备要求的进水温度低于环境温度时，设备不能使用。

1.3 封闭式蒸发冷却塔

密闭式蒸发冷却塔近年来广泛应用于钢铁冶金、电力电子、机械加工、空调系统等行业。封闭式冷却塔源于工业蒸发冷却器，它利用自然环境中空气干湿球的温差，通过间接蒸发降低水的温度。

热的冷却介质流经蒸发式冷却塔盘管，冷却塔顶部的喷淋水均匀地流过设置在塔顶的喷淋水管，喷到下方的冷却塔盘管表面。喷雾泵的驱动。冷空气从塔身进风口流入塔内，在风机的带动下形成空气循环。风扇的驱动冷却降低了盘管中冷却介质的温度。

蒸发冷却塔主要受湿球温度的影响。一般地区的湿球温度低于28℃，因此可以保证电力电子设备的进水温度控制在45℃以下。因此，在水资源丰富的地区，闭路冷却塔也得到了广泛的应用。该设备虽然可以满足制冷要求，但需要消耗大量的水资源，因此不能在常年缺水的地区使用。

2 台冷水机

相变是物质的剧烈变化。例如，冰到水是一个相变过程。在现代制冷技术中，相变制冷是利用某种物质在发生相变时的吸热作用，从而达到降低温度的效果。冷水机是利用制冷剂（即134a、407c等环保制冷剂）的相变来实现制冷的常用设备。

本文主要以风冷式冷水机组为例介绍制冷循环流程。冷水机主要包括压缩机、冷凝器、膨胀阀、控制箱、蒸发器、连接管道等部件，形成一个封闭的循环系统。

主要工作原理是：低温低压液态制冷剂进入蒸发器，吸收被冷却物体的热量，成为低温低压的气态制冷剂，然后进入压缩机，被压缩成高温高压气态制冷剂经压缩机进入冷凝器。高温高压蒸汽通过冷凝器将热量释放到大气中，同时制冷剂变成低温高压液体，最后经膨胀阀节流后返回蒸发器。重复此循环以实现制冷过程。冷水机的工作原理如图2所示。

图2 冷水机工作原理

3 冷水机在水冷系统中的应用

3.1 项目概述

某海外项目需要为电力电子设备提供一套水冷系统，制冷量要求为150kW，项目最高环境温度为50℃，要求电力电子设备进水温度为低于45℃。项目场地常年缺水，水资源相对稀缺，水费较高。受上述条件限制，不能使用常规的冷却系统空冷器和冷却塔。

经研究发现，热管制冷技术应用广泛，技术成熟，可实现高温环境下的制冷，可满足电力电子设备的散热要求。对比空冷器、冷却塔和冷水机在150kW相同换热容量下的功率损耗和成本后发现冷水机组 楼宇自控，冷水机的功率损耗和成本均高于其他两种设备。功率损耗和成本比较如表1所示。

表1 功率损耗和成本比较

虽然冷水机的损耗和成本较高，但其冷却可以满足电力电子设备的冷却要求。该设备可以提供较低的进水温度，比其他两种冷却设备的冷却效果更好，也可以提高电力电子设备的使用率。生活。其次，由于本项目实际受限于高温缺水条件，本项目只能选用冷水机组。

通过工程应用实例，专门设计了一种使用冷水机直接冷却去离子水的封闭式水冷系统，并申请了专利（专利号：2.X）。经工程实施验证，能满足电力电子设备的要求。运行要求。

3.2 冷水机组设计

经设计，本项目将冷水机组串联在主循环泵和被冷却的电力电子设备之间。电力电子设备产生的热量传递给水，水由主循环泵提升并进入冷水机组，冷水机组冷却后的水返回水中。对电力电子设备来说，形成一个封闭的循环，循环往复。冷却系统中使用的冷水机示意图如图3所示。

图3 冷却系统使用的冷水机示意图

在设计中，冷水机串联在主循环泵和被冷却的电力电子设备之间。电力电子产生的热量通过主循环泵将冷冻水传递给冷水机的蒸发器，然后蒸发器通过冷媒（即134a环保冷媒），冷媒将热量传递给冷水机中的冷凝器，最后冷凝器将热量转移到大气中。

目前我国暖通空调工程设计界普遍采用的冷却水进出水温度为32～37℃。电力电子设备的进水温度一般要求低于45℃。根据项目环境50℃运行要求，总设计制冷量为150kW。设计选用三台50kW压缩机，每台压缩机可独立控制。

根据相关设计标准和部件选型要求，选用R134a作为制冷剂，属于中温制冷剂；冷水机组蒸发温度范围15～20℃，冷凝温度65℃，冷冻水出水温度≤32℃，冷冻水进水温度≤38℃。

3.3 制冷测试

为了验证冷水机的实际制冷效果，通过模拟不同的环境温度和不同的制冷量条件，测量冷水机的冷冻水出水温度（即进入电力电子的进水温度内部冷却系统中的设备）。

测试过程中，将冷水机放置在封闭的气候试验室中，室内装有环境温度传感器，可实时监测室内空气温度。电加热器用于模拟电力电子设备的发热，提高循环冷却水的温度。冷水机组蒸发器冷却水侧进出水口安装温度传感器，监测进出水口水温。测试系统的电路图如图4所示。

图4 测试系统电路图

改变室内环境温度，开启对应编号的压缩机，记录环境温度、出水温度、进水温度的测试数据。最后调整实验室环境温度，将环境温度升至50℃以上，同时开启3台压缩机，并记录相关测试数据。测试数据如表2所示。

通过对试验数据的分析可以得出，当平均环境温度为50.3℃，发热量为150.1kW时，冷冻水出口平均温度冷水机组温度为30.5°C，平均入口温度为36.7°C，均低于32°C和38°C的设计要求。冷水机组满足设计冷却要求，满足电力电子设备入口温度要求。此外，测试还从侧面验证了三台压缩机的工作性能。

表2 冷水机组制冷试验数据

4。结论

冷水机技术作为一种高效的冷却方式，广泛应用于空调制冷行业，技术较为成熟，但国内外在换流站电力电子设备水冷系统方面尚无相关报道或应用。 .

本文在对高温缺水地区换流站电力电子设备外冷系统研究的基础上，首次提出将冷水机直接应用于水冷系统的新思路换流站的电力电子设备。离子水，并以实际项目为应用案例，试验证明了方案的可行性，为高温缺水地区的降温应用提供了技术支持和方案，具有一定的市场应用价值，促进了降温电力电子设备技术。发展也有一定的参考意义。

值得注意的是，压缩机在冷却冷水机时需要消耗一定的电量，相对于空冷器和冷却塔，能耗可能会有所增加。在实际工程应用中，需要综合考虑环境温度、水资源条件、电力电子设备进水温度等因素，合理选择合适的冷却设备。