散热器：特高压与柔性直流输电的散热支柱

2025-06-19 10:22

在全球能源需求持续攀升、能源结构加速转型的当下，特高压与柔性直流输电技术成为构建高效、稳定电力传输网络的中流砥柱。特高压输电以交流 1000 千伏、直流 ±800 千伏及以上的超高电压等级，实现了电力的长距离、大容量、低损耗输送，有力推动了能源资源在更大范围内的优化配置。柔性直流输电凭借灵活的功率调节、优良的电能质量和强大的电网适应性，在新能源并网、城市电网升级改造等关键领域发挥着不可替代的作用。​


然而，随着特高压与柔性直流输电系统规模不断扩张、输送容量持续提升，系统运行时产生的大量热量，正成为制约其安全稳定运行的核心挑战。以特高压输电系统为例，换流站中的换流阀、平波电抗器等核心设备，在高电压、大电流的严苛运行条件下，由于电流的热效应，会释放出惊人的热能。换流阀中的晶闸管或 IGBT 模块，单个模块运行时的发热功率可达数千瓦，众多模块组成的换流阀整体发热量极为可观。若这些热量无法及时、高效地散发出去，设备温度将急剧上升，进而导致性能劣化、寿命缩短，甚至可能引发严重故障，危及整个输电系统的安全稳定运行。​


水冷散热器在特高压输电系统的散热解决方案中占据主导地位。其利用冷却液比热容大、换热系数高的特性，通过精心设计的冷却管道，让冷却液在设备发热部位附近高效循环，快速吸收热量后，再借助热交换器将热量散发到外界环境中。为进一步提升水冷散热器的散热性能，科研人员不断探索创新。有研究采用双层水腔内设置交错排列扰流柱的结构，在不改变水冷散热器外形尺寸的情况下，扰流柱能使冷却介质在流过散热器时形成旋涡和湍流，增加散热器的有效传热面积，显著提高散热效率。同时，扰流柱还可大大减少冷却介质的流阻损失，使流体在腔内的流速分布更加均匀，更有利于带走热量，且能避免散热器在长期运行过程中被污物和沉积物堵塞。​


在柔性直流输电领域，尤其是海上风电柔性直流输电送出工程中，散热难题同样严峻。换流站不仅要应对功率密度提升带来的高热量，还需适应海上高湿度、盐雾等恶劣环境，并且受限于有限的空间。传统的空气冷却方式已难以满足大功率、高热流密度的柔性直流输电散热需求，液冷散热技术应运而生并成为主流选择。液冷散热利用液体比热容大、换热系数高的优势，通过冷却液在流道中的流动，依靠多块液冷板进行对流传热，将热能高效吸收与发散，具有散热效率快、散热均匀性好、体积小、温度梯度小、结构紧凑等特点。​


为解决柔性直流输电系统的散热难题，科研人员研发出创新的水冷板。通过冷锻压工艺优化水道结构，极大提升了冷却液与发热元件的换热效率；利用气氛保护瞬时液相扩散焊技术，在保证焊接质量的同时，大幅缩短焊接时间、降低成本。这种水冷板能够紧密贴合电力半导体器件，高效带走热量，满足柔性直流输电系统在不同工况下的严苛散热需求，有力推动了海上风电等新能源电力的稳定送出。
除了对现有散热技术的改进，科研人员还在积极探索新材料、新结构与新技术，以提升特高压与柔性直流输电散热器的性能。在冷却液材料研发方面，纳米流体冷却液展现出巨大潜力。科研人员将纳米级的氧化铝、氧化铜或石墨烯颗粒均匀分散在基础冷却液中，成功提升了冷却液的导热系数。实验数据显示，添加石墨烯纳米颗粒的冷却液，其导热系数相较于传统冷却液可提升 30%-50%，能够更迅速地带走设备产生的热量，显著降低设备运行温度，大幅提升散热效率。​


在散热结构设计创新方面，相变冷却技术成为研究热点。一种用于功率单元的压接式相变冷却散热结构，通过在散热器内部设置与功率单元电位相连的电极，在散热器流道或相变工质内建立交变电场，打破金属散热器等势体状态，有效改善相变工质的流动性，大幅提升相变冷却散热器的散热能力，为解决高功率密度设备的散热难题开辟了新路径。还有利用相变材料相变过程吸热并保持温度不变的性质，研发出适用于晶闸管短路或过流场合的相变材料散热器，可在晶闸管过流或短路时实现短时结温保护，抑制结温升高。​


市场研究机构预测，随着全球特高压与柔性直流输电网络建设的持续加速，未来几年，特高压与柔性直流输电散热器市场将迎来爆发式增长。这一增长趋势不仅源于现有输电项目对散热可靠性、高效性的严格要求，更得益于新兴能源项目，如大规模海上风电基地建设、跨区域清洁能源输送工程的推进，对高性能散热器产生的强劲需求。​


行业专家指出，散热器虽在特高压与柔性直流输电系统中看似是 “幕后角色”，却是保障系统安全、高效、稳定运行的核心支撑。展望未来，散热器将朝着智能化、轻量化、绿色化方向持续演进。智能化方面，借助 AI 算法，散热器将能够根据设备实时运行状态自动调节散热功率；轻量化设计旨在减轻设备重量，降低运输与安装成本；绿色化则聚焦于研发环保型冷却液与可回收材料，减少对环境的负面影响。这些技术进步将为特高压与柔性直流输电技术的持续创新发展筑牢根基，助力全球能源输送向高效、可靠、绿色的新时代大步迈进。

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