海底观测网接驳盒电源散热机理研究

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Research on Heat Dissipation M echanism of the Power Supply in SeafloorObservation Network Junction BoxCHEN Yanhu YANG Canjun LI Dejun JIN Bo(The State Key Lab of Fluid Power Transmission and Control，Zhejiang University，Hangzhou 3 1 0027)Abstract：Heat dissipation performance can seriously affect the long-term operation of junction boxS power system for seafloorobservation network.111e dissipation mechanism of heat generated by electrical therm al sources in sealed pressure chamber isanalyzed，an d its main impact factor is deduced，based on the heat conduction theory.Filing oil in chamber might greatly improvethe heat dissipation perform ance is concluded and validated by simulations on gas and oil medium through Fluent，respectively.Butproblem of over-pressure that is harmful to electrical components is induced due to oil thermal expansion.A gas-liquid coexistencemethod by leaving an appropriate proportion of gas volum e in oil is presented an d theoretically analyzed based on Clapeyrontheorem to aleviate the pressure.In order to valida te the proposal，tests are carried out on the scenarios of O%，2%，5% an d 10% gasvolum e.Theoretical analysis and test results show that： filing the chamber with de-electrical 0il could improve the heat dissipationperform ance，but over-pressure phenomena is induced；gas-liquid coexistence method could alleviate the oil pressure，for 25#transformer oil.a gas volum e of more than 8.8% could suppress the increased pressure less than 0.1 MPa.Gas-liquid coexistencemethod is applied on the power supply of a prototype of seafloor observation netw ork.Results from the laboratory test are consistentwith theoretical analysis。

Key words：Seafloor observation netw ork Heat dissipation Power converter Gas-liquid coexistence0 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·国家高技术研黻 展计划(863计划，2007AA091201)、国家985工程2期浙江大学机电系统刨新平台、浙江省自然科学基金杰出青年 l090453)和浙江省钱江人才计划(20o9Rlo036)资助项目。20120523收到初稿，20121009收到修改稿使用的海底观测网已经成为当前海洋观测的-种革命性手段L1 。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。图 l所示是-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-个内径为25 cm，壁厚为2 cm，长度为 105 cm的钛合金腔体内，其最大输出功率为2 000 W，转换效率为80%～85%pJ。满载下腔体内部将产生最大可达 500W 的热量，如没有良好的散热条件，腔内温度将急2013年 1月 陈燕虎等：海底观测网接驳盒电源散热机理研究 125录-次油液压强。测试结果如图 8所示。

籁暖出蜓热油液温度 Ooi1/℃图8 不同空气体积率下油液压强系数和油液温度的关系图8为不同空气体积率下油液压强系数和油液温度的关系图。

(1)当空气体积率 m0.01时，油液压强随着温度上升而明显上升，在 40℃时已经达到 0.5 MPa。

(2)当空气体积率 m0.02时，油液压强变化有所缓解，但在 50℃时也已经接近 0.5 MPa。

(3)当空气体积率 m0.05时，油液压强得到了明显的缓解，上升速率比较平稳，但超过 60℃时开始出现明显升压，在 70℃时已达到 0.45 MPa，仍不能满足要求。

(4)当空气体积率 m0.10时，在 40℃以下，油液压强几乎没有变化，当温度达到 70℃时，压强也只达到0.8 MPa，低于 0.2 MPa。

(5)与图 6进行比较，可发现仿真结果与实际测试存在-定的误差，在 m0.01和 0.02时，由于内部空气体积较小，容积测量有-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 m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-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400 V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℃时内部压强仍低于 0.2 MPa，则空气体积率介于 5%～10%。取 k-2.0，△T50 K，/'0293 K， 0.000 8℃～，Vtoml41 L，则可得 3.607 L，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 0.2 MPa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，空气集中在腔体最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-端放置-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-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 3.607L，用-个 4 L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，30IVIPa的耐压测试，没有出现漏水与损坏，证明该腔体可在深海 3 000 m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，如图 9所示。线性稳压供电电源将交流 220 V变换成直流2 kV，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-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-个防水的用于测量内部单点油温的温度传感器和-个用于测量油压的压力传感器，温度测量范围为 0-200℃，压强测量范围为 0～0.6 MPa，整个直流变换器腔体浸入水池中，水流速度为零，水温为 2O℃。电子负载设为恒功率模式，负载为 1 200 W，而该负载下变换器转换效率为82%，则耗散功率为263 W。

电子负载图 9 散热测试示意图在仿真分析结果上进行线性插值计算可得腔体最高温度为 36.6℃，平均温度为 31.9℃。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最高温度为25.9℃，即比平均水温高了5.9℃。

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最高温度为42.5℃，平均温度为37.8℃。

试验进行约 5 h后，温度测量值最终稳定在2013年 1月 陈燕虎等：海底观测网接驳盒电源散热机理研究 12746(2)： 99-105。

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作者简介： 陈燕虎，男，1983年出生，博士，助理研究员。主要研究方向为海底观测网关键技术。

E-mail：yanhuchen###zju.edu.cn杨灿军(通信作者)，男，1969年出生，博士，教授，博士研究生导师。

主要研究方向为深海机电装备技术，人机-体智能控制技术。

E-maih ycj###zju.edu.cn第 1届上银优秀机械博士论文奖--佳作奖作者：刘宇毕业学校：电子科技大学指导教师：黄洪钟多状态复杂系统可靠性建模及维修决策尽管现代制造业飞速发展，各种技术装备和系统日趋复杂化、精密化，但频频发生的重大事故和灾难性事件再次警示，解决可靠性问题刻不容缓。复杂机电系统的可靠性已成为了国家重大战略技术装备和重大工程研制过程中重要的共性基础问题。

在重大装备可靠性课题研究中我们发现，类似于航空发动机的这类复杂系统，其系统及组成单元在寿命周期内的失效演化过程中往往呈现出多状态的特征，并且各个状态的失效规律和机理、工作性能和效率不尽相同。在这种情况下，若采用常规的二态可靠性理论将系统粗略地划分为 正常”和 失效”两个状态显然不符合实际情况，而且忽略系统本身所表现出的多状态特征是不能准确地描述系统和单元的复杂失效过程的，这就迫切需要开展多状态可靠性理论的研究，以解决现代工程中大型复杂装备和系统的可靠性问题。

论文以航空发动机为主要研究对象，对多状态复杂系统可靠性建模与维修决策开展研究，其主要内容和创新性成果如下所述。

(1)提出了多状态复杂系统的选择性维修决策优化模型。论文研究了在有限维修资源约束下的多状态复杂系统的选择性维修决策优化问题。研究表明，在相同的维修资源约束下，论文提出的方法能使系统性能和可靠性恢复到更好的状态。

(2)提出了多状态单元的非完好维修模型，建立了多状态复杂系统的 系统级”更换维修策略。论文提出了-种新的多状态单元非完好维修模型，能有效地揭示维修措施对多状态单元衰退规律的影响，并建立了多状态系统的更换维修策略，能保证系统在单位时间的平均效益最大。

(3)系统地研究了多状态复杂系统的 单元级”维修建模与更换策略。论文研究了在非完好维修下的多状态复杂系统的单元更换维修决策及全寿命周期系统冗余优化问题，通过集成系统的冗余设计优化和维修决策，实现了系统全寿命周期内的可靠性优化设计。

f4)提出了模糊多状态复杂系统可靠性建模理论以及更换维修决策方法。论文提出了模糊马尔可夫模型、模糊马尔可夫报酬模型、模糊通用生成函数近似算法以及AlDha截集基数，有效地计算模糊多状态系统的性能状态分布和可靠度，并为模糊多状态单元维修方案的制定提供了理论指导。

提出了多级层次型复杂系统的统计灵敏度分析方法，能广泛应用于复杂系统可靠性分析和设计中以辅助不确定分析和降低模型复杂度。该方法有效地克服了现有方法不能处理子模型存在共享输入变量的局限，使复杂系统的统计灵敏度分析法具有更普遍的适用性。