基於晶閘管的新型的高壓直流輸電用換流閥閥模塊的製作方法

2023-10-04 00:28:14 2

專利名稱：基於晶閘管的新型的高壓直流輸電用換流閥閥模塊的製作方法
技術領域：
本發明涉及電力系統換流閥領域，具體涉及一種基於晶閘管的新型的高壓直流輸
電用換流閥閥模塊。
背景技術：
換流閥作為高壓直流輸電系統的核心設備，其發展和應用已經有多年的歷史。傳 統高壓直流輸電的換流閥閥模塊是以晶閘管串聯結構為核心，同時又包含了晶閘管的控 制、觸發和保護系統。圍繞晶閘管的安全可靠工作，換流閥閥模塊包括以下輔助元器件飽 和電抗器組件4、晶閘管單元51、阻尼電阻單元53、阻尼電容單元52，直流均壓電阻512、取 能電阻513、用於晶閘管控制、觸發和保護的控制單元56，以及滿足冷卻要求的水冷系統。 根據直流輸電的電壓等級和輸送功率的要求，選擇合適的晶閘管型號，將這些元器件、控制 單元56和水冷系統有效的整合在一起，就構成了換流閥閥模塊。 目前現有技術中在運行的換流閥閥模塊存在著一些問題，比如易漏水、重量大、結
構尺寸大、安裝和維護不方便等缺點。漏水是目前影響換流閥安全運行的關鍵因素，也是目
前在運行的換流閥常出現的運行問題。換流閥結構和重量特性又關係到換流閥的成本和安
裝維護方便性，安裝和維護特性又關係到換流閥工程應用的可操作性和工作效率。 目前換流閥閥模塊結構設計在元器件布局上，基本都是將晶閘管511、阻尼電容
521、阻尼電阻531、直流均壓電阻512、門極單元等作為一個組件整體設計，這個組件就被
成為晶閘管級組件5。在晶閘管級組件5設計上，基本上都是把若干個串聯晶閘管級的晶
閘管作為一個獨立晶閘管單元，阻尼電容521作為一個獨立的阻尼電容單元52、阻尼電阻
531作為一個獨立阻尼電阻單元53，控制迴路一個獨立控制單元56，晶閘管單元51、阻尼電
阻單元53、阻尼電容單元52和控制單元56在閥模塊的布局設計上，基本採用在一個平面布
置，即將這些單元在閥模塊結構框架上展開放置，有的閥模塊以晶閘管單元為中心，在其兩
側放置阻尼電容單元52、阻尼電阻單元53和控制單元56，有的閥模塊則將晶閘管單元51、
阻尼電阻單元53、阻尼電容單元52和控制單元56沿一個方向並列放置。 晶閘管級元器件在結構設計上的平鋪放置設計，增大了閥模塊在寬度方向的尺
寸，該尺寸的增加會帶來以下的問題 (1)不利於元器件在安裝和拆卸維護，尤其是閥模塊在運行現場維護時，須設置特 殊的工具，將維修的距離予以延伸，才能達到拆卸和維護的目的。 (2)不利於晶閘管級的元器件之間的電氣接線，對於晶閘管級組件5，阻尼電容、 阻尼電阻531、直流均壓電阻512、取能電阻513和控制迴路等，基本都是圍繞晶閘管511進 行電氣接線，採用平鋪布局後，距離晶閘管511遠的元器件其電氣接線必然被延長，這樣會 影響換流閥的電氣性能。電氣接線被延長後，同時也會影響閥模塊在布局設計上的工藝美 觀性。

發明內容
本發明的目的是提供一種幾何尺寸小、重量輕、組裝方便且便於維護的新型的換 流閥閥模塊。 為了實現上述目的，本發明採用以下的技術方案閥模塊由五個環形的鋁合金框 架11和四根絕緣槽梁12相連接構成閥模塊支撐框架l，其中四根鋁合金框架11分別以兩 個為一組位於閥模塊寬度方向的兩側。在閥模塊支撐框架1上，分別兩個布置飽和電抗器 組件和兩個晶閘管級組件5，其中兩個飽和電抗器組件4位於閥模塊沿長度方向的外側，晶 閘管級組件5則位於閥模塊的中部。飽和電抗器組件4和晶閘管級組件5之間通過軟連接 母排6連接在一起。兩個晶閘管級組件5在電氣設計上是相同的，在結構布局上是一致的， 本發明的特點就在於晶閘管級組件5的布局設計上，由於兩個晶閘管級組件5在結構上一 致的，所以僅以一個晶閘管級組件5講述本發明的特點。 晶閘管級組件5分別包括了以下元器件晶閘管511、阻尼電容521、阻尼電阻 531、直流均壓電阻512、取能電阻513和控制電路板561，以上元器件在結構設計上，分別通 過組合的方式構成一個相對獨立的單元晶閘管單元51、阻尼電容單元52、阻尼電阻單元 53和控制單元56。晶閘管單元51是由若干個晶閘管級串聯而成，每一個晶閘管兩側都有 散熱器514相連，根據晶閘管級的電氣設計，每一個晶閘管級都對應著一個阻尼電阻531、 阻尼電容521 、直流均壓電阻512 、取能電阻513和控制單元56 ，本發明將直流均壓電阻和取 能電阻513固定在每一級晶閘管的散熱器514上，這樣晶閘管511、直流均壓電阻512和取 能電阻513在結構上就構成了一個整體的晶閘管單元51。每一個晶閘管級對應的阻尼電容 在結構上相互連接成一個整體，構成了獨立的阻尼電容單元52，每一個阻尼電容單元52的 阻尼電容數量與晶閘管數量保持一致。阻尼電阻531在結構上也設計成了對立的阻尼電阻 單元53，阻尼電阻的數量與晶閘管的數量相對應，同時又多出一個水阻匹配阻尼電阻，給電 阻只是一個結構殼體，在電氣上沒有任何作用。 晶閘管單元51、阻尼電阻單元53、阻尼電容單元52和控制單元56在結構布局上 沒有採用傳統的在閥模塊上平鋪放置的設計，而是採用在幾何空間上分層布置的設計。整 個晶閘管級組件5分為兩層晶閘管單元51和阻尼電阻單元53位於閥模塊的下層，阻尼電 容和控制單元56位於閥模塊的上層，其中阻尼電容單元52位於阻尼電阻單元53的上部， 控制單元56位於晶閘管單元51的上部。採用上層布置後，閥模塊的高度尺寸會增加，為了 使閥模塊的高度尺寸不因為分層布置結構而增加太多，本發明將高度尺寸較大的阻尼電容 單元52採用橫向放置，同時對控制單元56的電路板的高度尺寸進行優化設計，則大大的降 低了閥模塊的高度尺寸，使得閥模塊的高度尺寸不因為閥模塊的雙層布置而增加太大，從 而將閥模塊的高度尺寸控制在合理的範圍內。 在元器件選型上，採用小型的模塊化的阻尼電阻531，阻尼電阻為直接水冷式結構 設計，其外殼為阻燃的的塑料材料。阻尼電容也採用特殊設計，電容器分為兩種類型三個 接線端子的電容器和兩個接線端子的電容，接線端子在布置上採用特殊設計，不管是兩個 接線端子的電容器和三個接線端子的電容器，都有一個接線端子位於電容器的尾部，同時 也作為電容器的固定端子。直流均壓電阻512和取能電阻513則選用模塊化的厚膜電阻。
閥模塊設計系統包括了水冷系統。閥模塊由兩個飽和電抗器和兩個晶閘管級組 件5構成，在水冷系統設計上， 一個晶閘管級組件5和其串聯的飽和電抗器共用一個水冷系統，則一個閥模塊包含了兩個相對獨立的水冷系統，兩個水冷系統在結構布局上是相同的。 對於一個獨立的水冷系統，在晶閘管單元51的外側布置了主進水管711，在阻尼電阻531的 外側布置了主回水管712。主進水管711和主回水管712上設置了多個分支水管713。主 進水管711通過分支水管713直接給晶閘管散熱器供水，該水路再通過晶閘管散熱器514 與阻尼電阻之間的分支水管713回到主回水管712。晶閘管級的水路採用全並聯設計。水 冷系統同時冷卻飽和電抗器的繞組和鐵心，飽和電抗器繞組冷卻水路和鐵心冷卻水路也採 用並聯設計。兩個閥段之間的水路系統相對獨立。 在電氣連接上，每一個閥段的飽和電抗器和晶閘管級組件5之間通過軟連接母排 6相連，兩個閥段之間通過軟連接母排6相連。 在閥模塊的外圍，布置了多個長短不一的屏蔽罩8，屏蔽罩的邊緣和稜角採用圓弧
設計。屏蔽罩8固定在閥段製成框架上，其中較長的屏蔽罩位於閥段的靠近飽和電抗器一
側的鋁合金橫梁上，較短屏蔽罩8位於閥段靠近門極單元一側的絕緣槽梁12上。 閥模塊在結構設計上考慮了阻燃特性設計，所用絕緣材料都有阻燃性能，元器件
在選型上也考慮了阻燃特性，比如阻尼電容521採用乾式電容器，而非充油式電容器。阻尼
電阻531的殼體則採用具有阻燃性材料製成。 本發明的有益效果是 本發明在晶閘管級組件5上，將晶閘管單元51 、阻尼電容單元52 、阻尼電阻單元53 和控制單元56在閥模塊框架上採用分層布置，與目前在運行的換流閥閥模塊相比，大大減 小了閥模塊在寬度方向的尺寸。寬度方向的尺寸減小後，具有以下的優勢
(1)有利於閥模塊的晶閘管級組件5的晶閘管單元51、阻尼電容單元52、阻尼電阻單 元53和控制單元56的安裝和拆卸，提高了閥模塊的組裝效率，更有利於換流閥的工程應用。
(2)閥模塊的晶閘管級組件5採用新的布局結構型式後，晶閘管級的各個元器件 之間的電氣接線距離被大大的縮短，電氣接線的布局更有利於設計，增加了閥模塊的工藝 美觀性和簡潔性。 (3)採用新的結構布局後，閥模塊的重量也因為支撐結構的優化而被有效的降低， 從而降低了對閥模塊支撐結構的強度要求，提高了閥模塊性能穩定性，降低了閥模塊的成 本。 (4)新的結構布局在改善閥模塊元器件之間電氣接線的同時，也可以有效的改變 閥模塊內部的電場分布。 (5)與在運行的換流閥閥模塊結構相比，在重量分布上本發明也進行了優化設計， 重量最大的飽和電抗器和晶閘管級組件5在閥模塊的同一軸線上布置，其重心靠近閥模塊 框架結構的幾何中心，從而改善了整個閥模塊的受力狀況。 (6)閥模塊在電氣連接上，一個閥段內部的飽和電抗器組件4與晶閘管級組件5之 間採用軟連接母排6進行電氣連接，連個閥段之間也通過軟連接母排6進行連接，這種設計 可以避免由於換流閥在運行過程中產生的震動造成對連接母排6的破壞，同時也可以保證 連接母排6之間的長期連接可靠性，提高了換流閥工作的安全性。 (7)在水路設計上，全並聯的水路設計保證了更好的冷卻效果，也保證了晶閘管級 被冷卻元器件冷卻效果的一致性，有利於保持元器件性能不會因為冷卻溫度的差異而出現 性能的差異。在水管設計上，採用較大內徑的水管。較大內徑的水管和全並聯的水路設計，可以有效降低水冷系統內的水壓要求，從而避免了由於水壓過大而造成的水管接頭漏水的
發生，且提高了水路管路系統的工作壽命，提高的了閥模塊長期運行的可靠性。
(8)在元器件選型上，採用小型的模塊化設計的塑料殼體的阻尼電阻，可以降低閥
模塊的幾何尺寸，減輕閥模塊的重量，且便於閥模塊的組裝。阻尼電容為乾式充氣電容器，
體積小，重量輕，有利於結構布置和安裝，且可以降低閥模塊的結構尺寸和重量。
(9)由於閥模塊的絕緣材料選擇了具有阻燃性的材料，且阻尼電阻531的殼體採
用阻燃性材料、阻尼電容521採用乾式設計，都增加了閥模塊的防火特性，使得閥模塊具有
很好的阻燃特性，可以有效的降低由火災引起的產品損失。


下面結合附圖對本發明進一步說明。 圖1本發明的閥模塊結構示意圖。 圖2本發明的閥模塊製成框架示意圖。 圖3本發明的晶閘管級組件5的結構示意圖。 圖4本發明的飽和電抗器組件4的結構示意圖。 圖5本發明的閥模塊水路系統示意圖。 圖6本發明的阻尼電阻單元結構示意圖。 圖7本發明的阻尼電容單元示意圖。 圖8本發明的門極單元結構示意圖。
具體實施例方式
以下通過具體實施例並結合附圖對本發明進行詳細的說明。 如圖1和圖2所示，閥模塊由五個鋁合金環形框架12和四根絕緣槽梁11構成了 閥模塊的製成框架1，絕緣槽梁11位於閥模塊框架的兩側。在閥模塊支撐框架的內部，布置 了閥模塊的各個元器件，其中飽和電抗器4位於閥模塊的長度方向兩側，晶閘管級組件5位 於閥模塊的中間部位。閥模塊的外圍有多個屏蔽罩，其中阻尼電容一側沒有屏蔽罩，屏蔽罩 的結構為特殊圓角設計。飽和電抗器與晶閘管級組件5之間通過軟連接母排6實現電氣連 接，在電氣設計上，一個閥模塊就是由兩個飽和電抗器4和多個晶閘管的串聯連接。
如圖3所示，在閥模塊的兩個鋁合金環形框架12之間放置了晶閘管級組件5。晶 閘管級組件5包括了門極單元56、晶閘管單元51 、阻尼電容單元52、阻尼電阻單元53，其中 晶閘管單元51包括了晶閘管511、直流均壓電阻512和取能電阻513。阻尼電阻單元53和 晶閘管單元51位於閥模塊框架的底部，在同一支撐平面布置，門極單元56和阻尼電容單元 52位於閥模塊支撐框架的上部，且在同一支撐平面固定，其中門極單元56位於晶閘管單元 51的上部，之間有一定的距離間隔，阻尼電容單元52位於阻尼電阻單元53的上部，之間有 一定的距離間隔。 如圖4所示，在閥模塊結構沿長度方向的兩側，布置了飽和電抗器組件4，飽和電 抗器4放置在兩個鋁合金環形框架12之間，直接坐落在絕緣支撐板上，絕緣支撐板固定在 鋁合金環形框架12上，該絕緣支撐板採用高強度的複合絕緣材料，即滿足電氣絕緣性能的 要求，又起到可靠的結構支撐作用。飽和電抗器4的兩側布置了主進水管711和主回水管712，主進水管711和主回水管712與晶閘管級組件5的主進水管711和主回水管712為同 一水管。 如圖5所示，閥模塊的結構設計包括了冷卻水路設計，整個冷卻系統包括了兩個 的冷卻系統，這兩個系統以相鄰的一個飽和電抗器4和一個晶閘管級組件5為整體相互對 立，每一個冷卻系統分別對相鄰的飽和電抗器4和晶閘管級組件5冷卻。對於一個獨立的 冷卻系統，其冷卻包括了飽和電抗器4的冷卻、阻尼電阻531的冷卻和晶閘管散熱器514的 冷卻，其中阻尼電阻531為直接水冷型式。每一個晶閘管級的散熱器514和阻尼電阻531 採用串聯冷卻結構，冷卻水先由主進水管711通過分支水管713送給晶閘管散熱器514，再 由散熱器514通過分支水管713供應給阻尼電阻531，最後流回主回水管712。晶閘管級之 間的水冷系統為全並聯設計。飽和電抗器4的冷卻包括了繞組的冷卻和鐵心散熱器514的 冷卻，其中繞組的冷卻水路和鐵心散熱器514的冷卻水路為並聯冷卻水路。
如圖6所示，阻尼電容單元52通過其底部的固定螺栓固定在絕緣支架上，絕緣支 架由絕緣角件和絕緣短板組裝而成。每一個晶閘管級的阻尼電容包括了兩個電容器，一個 電容器為三個出線端子的電容器，另外一個為兩個出線端子的電容器。電容器在閥模塊上 的固定時，採用橫向放置，這樣可以降低閥模塊的高度尺寸和縮短晶閘管級的電氣接線距 離。阻尼電容單元52在組裝時，也是採用單獨組裝，然後再固定在晶閘管級組件5上。
如圖7所示，阻尼電阻531通過絕緣螺栓固定在絕緣槽梁上，構成了一個阻尼電阻 單元53，阻尼電阻531為直接水冷式電阻。每一個精軋攻擊的對應一個阻尼電阻531。在 進行閥模塊組裝時，阻尼電阻單元53採用單獨組裝，然後再通過鋁合金固定角件固定在晶 閘管級組件5上。 如圖8所示，門極單元56由電路板支架562、絕緣角件563、絕緣橫板564、絕緣側
板565和蓋板組成566，其中絕緣角件563、絕緣橫板564、絕緣側板565和蓋板566通過絕
緣螺栓567固定成支撐框架整體，而絕緣側板支架則採用連接件連接在一起。 此處已經根據特定的示例性實施例對本發明進行了描述。對本領域的技術人員來
說在不脫離本發明的範圍下進行適當的替換或修改將是顯而易見的。示例性的實施例僅僅
是例證性的，而不是對本發明的範圍的限制，本發明的範圍由所附的權利要求定義。
權利要求
一種基於晶閘管的新型的高壓直流輸電用換流閥閥模塊，包括由五個環形的鋁合金框架11和四根絕緣槽梁12相連接構成的閥模塊支撐框架1，其中四個鋁合金框架1分別以兩個為一組位於閥模塊寬度方向的兩側，在閥模塊的支撐框架1上，分別布置兩個飽和電抗器組件4和兩個晶閘管級組件5，其中兩個飽和電抗器組件4位於閥模塊沿長度方向的外側，晶閘管級組件5則位於閥模塊的中部，飽和電抗器組件4和晶閘管級組件5之間通過軟連接母排6連接在一起，兩個晶閘管級組件5在電氣設計上是相同的，在結構布局上是一致的。
2. 如權利要求1所述的閥模塊，其特徵在於所述每個晶閘管級組件5分別包括以下元 器件晶閘管511 、阻尼電容521 、阻尼電阻531 、直流均壓電阻512 、取能電阻513和控制電 路板561，以上元器件在結構設計上，分別通過組合的方式構成一個相對獨立的單元晶閘 管單元51、阻尼電容單元52、阻尼電阻單元53和控制單元56 ;晶閘管單元51是由若干個 晶閘管級串聯而成，每一個晶閘管511兩側都有散熱器514相連，根據晶閘管級的電氣設 計，每一個晶閘管級都對應著一個阻尼電阻531、阻尼電容521、直流均壓電阻512、取能電 阻513和控制單元56 ;將直流均壓電阻512和取能電阻513固定在每一級晶閘管511的散熱器514上，這樣晶 閘管511、直流均壓電阻512和取能電阻513在結構上就構成了一個整體的晶閘管單元51， 每一個晶閘管級對應的阻尼電容521在結構上相互連接成一個整體，構成了獨立的阻尼電 容單元52，每一個阻尼電容單元52的阻尼電容521的數量與晶閘管511的數量保持一致， 阻尼電阻531在結構上也設計成了獨立的阻尼電阻單元53，阻尼電阻531的數量與晶閘管 511的數量相對應，同時又多出一個水阻匹配阻尼電阻532，該水阻匹配阻尼電阻532隻是 一個結構殼體，在電氣上沒有任何作用。
3. 如權利要求1-2所述的閥模塊，其特徵在於晶閘管單元51、阻尼電阻單元53、阻尼電 容單元52和控制單元56在結構布局上沒有採用傳統的在閥模塊上平鋪放置的設計，而是 採用在幾何空間上分層布置的設計，整個晶閘管級組件分為兩層晶閘管單元51和阻尼電 阻單元53位於閥模塊的下層，阻尼電容單元52和控制單元56位於閥模塊的上層，其中阻 尼電容單元52位於阻尼電阻單元53的上部，控制單元56位於晶閘管單元51的上部，採用 上層布置後，閥模塊的高度尺寸會增加，為了使閥模塊的高度尺寸不因為分層布置結構而 增加太多，將高度尺寸較大的阻尼電容單元52用橫向放置，同時對控制單元56的電路板的 高度尺寸進行優化設計，從而大大降低了閥模塊的高度尺寸，使得閥模塊的高度尺寸不因 為閥模塊的雙層布置而增加太大，從而將閥模塊的高度尺寸控制在合理的範圍內。
4. 如權利要求l-3所述的閥模塊，其特徵在於在元器件選型上，採用小型的模塊化的 阻尼電阻531，阻尼電阻531為直接水冷式結構設計，其外殼為阻燃的的塑料材料，阻尼電 容521所採用的電容器分為兩種類型三個接線端子的電容器和兩個接線端子的電容器， 接線端子在布置上採用特殊設計，兩個接線端子的電容器和三個接線端子的電容器，都有 一個接線端子位於電容器的尾部，同時也作為電容器的固定端子，直流均壓電阻512和取 能電阻513則選用模塊化的厚膜電阻。
5. 如權利要求l-4所述的閥模塊，其特徵在於還具有水冷系統，在水冷系統設計上，所 述閥模塊包括的兩個飽和電抗器組件4和兩個晶閘管級組件5，在每個晶閘管級組件5和 其串聯的飽和電抗器組件4共用一個水冷系統，從而一個閥模塊包含了兩個相對獨立的水冷系統，兩個水冷系統在結構布局上是相同的，對於一個獨立的水冷系統，在晶閘管單元51 的外側布置了主進水管711，在阻尼電阻531的外側布置了主回水管`712，主進水管711和 主回水管712上設置了多個分支水管713，主進水管711通過分支水管713直接給晶閘管散 熱器514供水，該水路再通過晶閘管散熱器514與阻尼電阻531之間的分支水管713回到 主回水管712，晶閘管級的水路採用全並聯設計，水冷系統同時冷卻飽和電抗器組件4的繞 組和鐵心，飽和電抗器組件4的繞組冷卻水路和鐵心冷卻水路也採用並聯設計，兩個閥段 之間的水路系統相對獨立。
6. 如權利要求l-5所述的閥模塊，其特徵在於在電氣連接上，每一個閥段的飽和電抗 器組件4和晶閘管級組件5之間通過軟連接母排6相連，兩個閥段之間通過軟連接母排6 相連。
7. 如權利要求l-6所述的閥模塊，其特徵在於在閥模塊的外圍，布置了多個長短不一 的屏蔽罩8，屏蔽罩8的邊緣和稜角採用圓弧設計，屏蔽罩8固定在閥段製成框架1上，其 中較長的屏蔽罩8位於閥段的靠近飽和電抗器組件4 一側的鋁合金橫梁上，較短的屏蔽罩 8位於閥段靠近門極單元一側的絕緣槽梁12上。
8. 如權利要求l-7所述的閥模塊，其特徵在於閥模塊在結構設計上考慮了阻燃特性設 計，所用絕緣材料都有阻燃性能，元器件在選型上也考慮了阻燃特性，阻尼電容521採用幹 式電容器，而非充油式電容器，阻尼電阻531的殼體則採用具有阻燃性材料製成。
全文摘要
本發明提供了一種基於晶閘管的新型的高壓直流輸電用換流閥閥模塊，將晶閘管單元51、阻尼電容單元52、阻尼電阻單元53和控制單元56在閥模塊框架上採用分層布置，與目前在運行的換流閥閥模塊相比，大大減小了閥模塊在寬度方向的尺寸，寬度方向的尺寸減小後，其具有幾何尺寸小、重量輕、組裝方便且便於維護的優點。
文檔編號H02M1/00GK101795052SQ20091024350
公開日2010年8月4日 申請日期2009年12月25日 優先權日2009年12月25日
發明者屈海濤, 張升, 溫家良, 魏曉光 申請人:中國電力科學研究院