一種新型的晶閘管換流閥閥模塊的製作方法

2023-10-04 00:28:09 1

專利名稱：一種新型的晶閘管換流閥閥模塊的製作方法
技術領域：
本發明涉及電力系統大功率電力電子換流閥領域，具體涉及一種用於高壓直流傳
送的晶閘管換流閥閥模塊。
背景技術：
換流閥作為高壓直流輸電系統的核心部件，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、晶閘管單元、阻尼電阻單元、阻尼電容單元，直流均壓電阻、取能電阻、用於晶閘 管控制、觸發和保護的控制單元，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，選擇合適的晶閘管類型，將這些元器件、控制單元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，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關係到 工程應用的可操作性和工作效率。 目前換流閥閥模塊在結構設計上主要分為兩種結構形式框架式結構和模塊化分
散式結構。對於框架式結構，一般分為兩種結構，金屬框架式和金屬結構件與大截面尺寸的
絕緣槽梁組成的組合框架式，框架是閥模塊的結構支撐主體，在閥模塊框架內部分散布置
各種元器件。金屬框架式閥模塊，結構支撐強度高，但是在高電壓下必須考慮電氣絕緣的要
求，會增大閥模塊框架的結構尺寸，並造成閥模塊內部空間的浪費，而且閥模塊的重量也會
增大。組合式框架閥模塊，存在機械強度的問題，由於閥模塊框架要承受較大的重量載荷，
對絕緣槽梁的結構強度，諸如抗拉強度、抗彎強度和抗剪強度等要求很高，會增大閥模塊設
計的難度和製造成本，不利於換流閥的工程應用。模塊化分散式閥模塊結構，則將閥模塊內
部的晶閘管、阻尼電阻、阻尼電容、門極單元和飽和電抗器的等採用模塊化組裝，這種結構
設計存在閥模塊內部的分散的子模塊數量太多，造成了閥模塊工程現場組裝的難度，也不
利於閥模塊安裝效率的提高，同時，這種模塊化分散式結構對現場安裝的精度要求很高，安
裝的技術操作相對複雜，對閥模塊安裝的技術人員的操作技能有很高的要求。 目前在運行的換流閥的元器件選型更新換代緩慢，沒有應用目前元器件的最新技
術，且不能適應目前直流輸電升壓和增容的需要。

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。本發明應用最新型的換流閥元器件，包括晶閘管、阻尼電阻和阻尼電容等，採 用特殊的整合方式，實現本發明的功能的獨創性和優異性。
為了實現上述目的，本發明採用以下的技術方案
—種晶閘管換流閥閥模塊，其特徵在於在一個整體閥模塊上，分為相同的兩個閥
段，每一個閥段都包括飽和電抗器、晶閘管、直流均壓電阻單元、取能電阻單元、阻尼電阻單
元、阻尼電容單元、門極單元和水冷系統，其中，晶閘管單元、阻尼電阻單元、阻尼電容單元、
直流均壓電阻單元、取能電阻單元和門極單元固定連接成一個晶閘管級組件，飽和電抗器
作為一個獨立組件，晶閘管單元是由若干個晶閘管及其附屬部件串聯而成，每一個晶閘管
的兩側都連接有散熱器，根據晶閘管級的電氣設計，每一個晶閘管級都對應有一個阻尼電
阻、阻尼電容、直流均壓電阻、取能電阻和門極電路；晶閘管級組件內部的元器件在布置上
以晶閘管單元為中心，晶閘管單元的兩側分別布置了門極單元和阻尼電阻與阻尼電容，晶
閘管級組件與飽和電抗器組件在電氣上串聯連接構成了一個晶閘管換流閥的閥段。 其中，閥模塊的支撐結構採用託架式結構，支撐託架由鋁合金橫梁和小截面尺寸
的絕緣槽梁構成，用於支撐飽和電抗器組件和晶閘管級組件，閥模塊的支撐託架包括五根
鋁合金橫梁和四根絕緣槽梁，其中兩根絕緣槽梁位於支撐託架的側部，另外兩個絕緣槽梁
位於支撐託架的底部，閥模塊以其中的三根鋁合金橫梁為間隔分為四個部分兩個飽和電
抗器組件和兩個晶閘管級組件。 其中，對於每一個晶閘管級組件，其所對應的晶閘管單元、阻尼電阻單元、阻尼電 容單元和門極單元都採用模塊化設計，獨立組裝，每一個單元組裝完畢後，通過固定連接件 固定在閥模塊支撐託架上，形成一個晶閘管級組件，每一個晶閘管單元都包括若干個晶閘 管級，每個晶閘管的兩個側面壓裝有散熱器，每個晶閘管級都對應有兩個直流均壓電阻和 一個取能電阻，取能電阻和直流均壓電阻固定在晶閘管散熱器的一個側面上，這樣散熱器 既冷卻了晶閘管，又冷卻了取能電阻和直流均壓電阻，有利於提高直流均壓電阻和取能電 阻的性能； 所述晶閘管單元採用精確控制的液壓加載機構以一定的壓力壓裝在一起的，形成 結構上的一個整體單元，阻尼電容單元採用U形絕緣小槽梁和高強度絕緣板構成的支撐結 構，與晶閘管級對應的若干個阻尼電容整合在一起，形成一個整體結構。與一個晶閘管級對 應的阻尼電容為兩個一個三個出線端子的阻尼電容和一個兩個出線端子的電容器；
其中，所述阻尼電阻單元是由若干個阻尼電阻和支撐絕緣梁構成的，阻尼電阻是 需要冷卻水冷卻的電阻； 所述門極單元為若干個門極電路板固定在高強度絕緣板上，採用便於插拔的固定 夾組裝成一個整體單元，該固定夾為長條形結構，用於固定電路板的側面設置了滑軌，用於 安裝電路板，與有滑軌側面垂直的底面上固定了用於安裝固定夾固定的卡子，該卡子設計 了兩個彈性卡片，在一定壓力下可以變形，在安裝時，直接將卡子插入絕緣板上設置的卡口 內，即可保證良好固定。 其中，在閥模塊的元器件選型和閥模塊的支撐結構材料的選型上，採用了防火設 計，防火設計分為兩部分閥模塊的支撐結構所選用的絕緣材料具有很好的阻燃性；在閥 模塊的元器件選型上，阻尼電阻採用直接水冷卻，阻尼電阻的外殼為阻燃性材料製成，阻尼 電容為乾式電容器，採用防火無油設計，直流均壓電阻和取能電阻選用模塊化的厚膜電阻， 直流均壓電阻和取能電阻的外殼也採用阻燃性材料製成。 其中，所述水冷系統由一個主進水管和一個主回水管組成，主進水管和主回水管 上設置若干個分支水管，閥模塊中需要冷卻的部件是飽和電抗器、晶閘管的散熱器和阻尼電阻，整個水路系統為全並聯水路，每個晶閘管級組件之間採用並聯的水路設計，每個晶閘 管級組件的內部則採用串聯水路設計，主進水管通過分支水管的水先進入晶閘管的散熱 器，再進入阻尼電阻，然後回到主回水管，飽和電抗器的水路將主回水管和主進水管串聯在 一起，從而使得飽和電抗器的水路串聯在主水路上。 其中，在電氣連接上，每一個閥段的飽和電抗器和晶閘管級組件之間通過軟連接 母排相連，並且兩個閥段之間也通過軟連接母排相連。 其中，在閥模塊的外圍，布置了多個長短不一的屏蔽罩，屏蔽罩的邊緣和稜角採用 圓弧設計，屏蔽罩固定在閥模塊的支撐託架上，其中較長的屏蔽罩設置於每個閥段的靠近 飽和電抗器一側的鋁合金橫梁上，較短的屏蔽罩設置於閥段靠近門極單元一側的絕緣槽梁 上。 本發明的有益效果是 本發明，在結構設計上，採用整體的託架結構，託架由鋁合金橫梁和絕緣槽梁構
成，然後在託架上以組件的型式布置兩個飽和電抗器組件和兩個晶閘管級組件。這種換流
閥閥模塊結構型式與現運行的換流閥閥模塊結構相比，具有以下的優點 (1)可以有效的降低閥模塊支撐結構的重量，減小支撐結構的幾何尺寸； (2)該結構既克服了全金屬框架閥模塊結構的幾何尺寸大、重量大和空間利用效
率底的缺點，又克服了傳統的金屬結構件與大截面尺寸的絕緣槽梁組成的組合框架式結構
的強度低、加工成本高的缺點； (3)不管是金屬框架式閥模塊結構，還是金屬結構件和大截面絕緣槽梁組成的組 合框架式閥模塊結構，都存在載荷和應力集中的問題，對閥模塊的整體強度有影響，本發明 採用多根鋁合金橫梁和絕緣槽梁組合型式，可以有效的分散承重載荷，並降低應力集中程 度。


下面結合附圖對本發明進一步說明。
圖1是依據本發明的閥模塊的整體結構示意圖。
圖2是依據本發明的閥模塊的閥段結構示意圖。 圖3是依據本發明的閥模塊的晶閘管級組件結構示意圖。 圖4是依據本發明的閥模塊的飽和電抗器組件結構示意圖。 圖5是依據本發明的閥模塊的晶閘管單元結構示意圖 圖6是依據本發明的閥模塊的阻尼電阻單元結構示意圖。 圖7是依據本發明的閥模塊的阻尼電容單元示意圖。 圖8是依據本發明的閥模塊的門極單元結構示意圖。
具體實施例方式
對於一個晶閘管級組件，門極單元02、阻尼電阻單元04與阻尼電容單元03分別位 於晶閘管單元Ol的兩側，在結構設計上，晶閘管級組件的重心與幾何中心偏離不是太大， 有利於改善閥框架的受力狀況。對於一個閥段，重量最大的飽和電抗器組件05和晶閘管單 元01在閥段的同一軸線上布置，其重心靠近閥段結構的幾何中心，從而改善了整個閥段的受力狀況。對於一個晶閘管級，阻尼電容單元03緊鄰阻尼電阻單元04放置，縮短了阻尼電 容03接線端子與其他電氣連接元器件之間的距離，可以縮短晶閘管級的電氣接線長度，優 化了晶閘管級的電氣性能。門極單元02緊鄰晶閘管單元放置，有利於晶閘管的控制、觸發 和保護特性。 閥模塊在電氣連接上，一個閥段內部的飽和電抗器組件05與晶閘管級組件之間 採用軟連接母排29進行電氣連接，連個閥段之間也通過軟連接母排30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的破壞，同時也可以保證連 接母排之間的長期連接可靠性，提高了換流閥工作的安全性。 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。
對於阻尼電阻單元04，採用小型的模塊化設計的塑料殼體的阻尼電阻12，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。阻尼電阻單元04在結構 上有若干個阻尼電阻12由高強度的絕緣支撐橫梁13支撐，保證了阻尼電阻單元04的結構 強度，阻尼電阻單元04通過固定角件14固定在閥模塊框架08的鋁合金橫梁09上。
對於阻尼電容單元03，阻尼電容分為兩種兩個出線端子的兩端阻尼電容15和三 個出線端子的三端阻尼電容16，兩種類型的電容均為乾式充氣電容器，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。阻尼電容單元03在結構上由 若干個兩端阻尼電容15和三端阻尼電容16固定在絕緣板19上，絕緣板有小截面的絕緣槽 梁17支撐，阻尼電容單元通過鋁合金固定件18固定在閥模塊框架08的鋁合金橫梁09上。
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12的殼體採用阻 燃性材料、兩端阻尼電容15和三端阻尼電容16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。
在閥模塊外屏蔽設計上，採用獨特設計的，具有良好均壓特性的屏蔽罩，既改善了 閥模塊的電場分布，有增加了閥模塊工藝美觀性。屏蔽罩分為兩種角屏蔽罩07-l和短屏 蔽罩07-2。 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
一種晶閘管換流閥閥模塊，其特徵在於在一個整體閥模塊上，分為相同的兩個閥段，每一個閥段都包括飽和電抗器、晶閘管、直流均壓電阻單元、取能電阻單元、阻尼電阻單元、阻尼電容單元、門極單元和水冷系統，其中，晶閘管單元、阻尼電阻單元、阻尼電容單元、直流均壓電阻單元、取能電阻單元和門極單元固定連接成一個晶閘管級組件，飽和電抗器作為一個獨立組件，晶閘管單元是由若干個晶閘管及其附屬部件串聯而成，每一個晶閘管的兩側都連接有散熱器，根據晶閘管級的電氣設計，每一個晶閘管級都對應有一個阻尼電阻、阻尼電容、直流均壓電阻、取能電阻和門極電路；晶閘管級組件內部的元器件在布置上以晶閘管單元為中心，晶閘管單元的兩側分別布置了門極單元和阻尼電阻與阻尼電容，晶閘管級組件與飽和電抗器組件在電氣上串聯連接構成了一個晶閘管換流閥的閥段。
2. 如權利要求1所述的晶閘管換流閥閥模塊，其特徵在於閥模塊的支撐結構採用託 架式結構，支撐託架由鋁合金橫梁和小截面尺寸的絕緣槽梁構成，用於支撐飽和電抗器組 件和晶閘管級組件，閥模塊的支撐託架包括五根鋁合金橫梁和四根絕緣槽梁，其中兩根絕 緣槽梁位於支撐託架的側部，另外兩個絕緣槽梁位於支撐託架的底部，閥模塊以其中的三 根鋁合金橫梁為間隔分為四個部分兩個飽和電抗器組件和兩個晶閘管級組件。
3. 如權利要求l-2所述的晶閘管換流閥閥模塊，其特徵在於對於每一個晶閘管級組件，其所對應的晶閘管單元、阻尼電阻單元、阻尼電容單元和 門極單元都採用模塊化設計，獨立組裝，每一個單元組裝完畢後，通過固定連接件固定在閥 模塊支撐託架上，形成一個晶閘管級組件，每一個晶閘管單元都包括若干個晶閘管級，每個 晶閘管的兩個側面壓裝有散熱器，每個晶閘管級都對應有兩個直流均壓電阻和一個取能電 阻，取能電阻和直流均壓電阻固定在晶閘管散熱器的一個側面上，這樣散熱器既冷卻了晶 閘管，又冷卻了取能電阻和直流均壓電阻，有利於提高直流均壓電阻和取能電阻的性能；所述晶閘管單元採用精確控制的液壓加載機構以一定的壓力壓裝在一起的，形成結構 上的一個整體單元，阻尼電容單元採用U形絕緣小槽梁和高強度絕緣板構成的支撐結構， 與晶閘管級對應的若干個阻尼電容整合在一起，形成一個整體結構。與一個晶閘管級對應 的阻尼電容為兩個一個三個出線端子的阻尼電容和一個兩個出線端子的電容器；
4. 如權利要求l-3所述的晶閘管換流閥閥模塊，其特徵在於所述阻尼電阻單元是由若干個阻尼電阻和支撐絕緣梁構成的，阻尼電阻是需要冷卻水 冷卻的電阻；所述門極單元為若干個門極電路板固定在高強度絕緣板上，採用便於插拔的固定夾組 裝成一個整體單元，該固定夾為長條形結構，用於固定電路板的側面設置了滑軌，用於安裝 電路板，與有滑軌側面垂直的底面上固定了用於安裝固定夾固定的卡子，該卡子設計了兩 個彈性卡片，在一定壓力下可以變形，在安裝時，直接將卡子插入絕緣板上設置的卡口內， 即可保證良好固定。
5. 如權利要求l-4所述的晶閘管換流閥閥模塊，其特徵在於在閥模塊的元器件選型和閥模塊的支撐結構材料的選型上，採用了防火設計，防火設 計分為兩部分閥模塊的支撐結構所選用的絕緣材料具有很好的阻燃性；在閥模塊的元器 件選型上，阻尼電阻採用直接水冷卻，阻尼電阻的外殼為阻燃性材料製成，阻尼電容為乾式 電容器，採用防火無油設計，直流均壓電阻和取能電阻選用模塊化的厚膜電阻，直流均壓電 阻和取能電阻的外殼也採用阻燃性材料製成。
6. 如權利要求1-5所述的晶閘管換流閥閥模塊，其特徵在於所述水冷系統由一個主進水管和一個主回水管組成，主進水管和主回水管上設置若干 個分支水管，閥模塊中需要冷卻的部件是飽和電抗器、晶閘管的散熱器和阻尼電阻，整個水 路系統為全並聯水路，每個晶閘管級組件之間採用並聯的水路設計，每個晶閘管級組件的 內部則採用串聯水路設計，主進水管通過分支水管的水先進入晶閘管的散熱器，再進入阻 尼電阻，然後回到主回水管，飽和電抗器的水路將主回水管和主進水管串聯在一起，從而使 得飽和電抗器的水路串聯在主水路上。
7. 如權利要求l-6所述的晶閘管換流閥閥模塊，其特徵在於在電氣連接上，每一個閥段的飽和電抗器和晶閘管級組件之間通過軟連接母排相連， 並且兩個閥段之間也通過軟連接母排相連。
8. 如權利要求l-7所述的晶閘管換流閥閥模塊，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，屏蔽罩的邊緣和稜角採用圓弧設計， 屏蔽罩固定在閥模塊的支撐託架上，其中較長的屏蔽罩設置於每個閥段的靠近飽和電抗器 一側的鋁合金橫梁上，較短的屏蔽罩設置於閥段靠近門極單元一側的絕緣槽梁上。
全文摘要
本發明提供了一種用於將交流電壓轉換為直流電壓，或者將直流電壓轉換為交流電壓的高電壓大功率電力電子設備一種晶閘管換流閥閥模塊，其是在一個整體閥模塊上，分為相同的兩個閥段，每一個閥段都包括飽和電抗器、晶閘管、直流均壓電阻單元、取能電阻單元、阻尼電阻單元、阻尼電容單元、門極單元和水冷系統，該設備將晶閘管進行串聯組合，以滿足不同輸電功率和不同輸電電壓等級的要求。該設備是高壓直流輸電的核心設備，應用於不同電壓等級的交直流變換系統，可以應用於DC側不同電壓等級要求，包括特高壓800kV及以上電壓。
文檔編號H02M1/00GK101719719SQ200910242359
公開日2010年6月2日 申請日期2009年12月14日 優先權日2009年12月14日
發明者張升, 湯廣福, 溫家良, 魏曉光 申請人:中國電力科學研究院