CN101290931B - 一种大功率自冷式晶闸管阀及其安装用车 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大功率自冷式晶闸管阀及其安装用车，其特征在于：单相晶闸管阀体包括两个晶闸管阀串和对称分布的绝缘拉杆、法兰、散热片、高电位触发板、取能磁环、高压送能电缆和多个固定螺母；每两个晶闸管通过散热片上的软电缆，正反向并联连接组成一个晶闸管阀单元；多个晶闸管阀单元并联直立叠加组成晶闸管阀串，散热片间隔压装在每层晶闸管阀单元之间，两个晶闸管阀串正反向并联构成一个单相晶闸管阀；绝缘拉杆两端分别由固定螺母紧固在上下二法兰之间；高压送能电缆通过高电位触发板的取能磁环接入晶闸管阀体中；单相晶闸管阀体通过两动触头输入、输出电流，二动触头与晶闸管阀体通过铜排固定在一起，铜排通过法兰固定在绝缘拉杆的上下两端，铜排上装有连通散热片的软铜片。
Description
技术领域
本发明涉及高压供电设施中的固态切换开关，特别是指固态切换开关中的一种大功率自冷式晶闸管阀及其安装用车。
背景技术
随着科技的发展和人类对用电质量要求的提高，中高压大功率电力电子设备必将得到广泛地应用。在电力电子设备领域中，晶闸管、绝缘栅极型功率管(IGBT)、二极管等电气元件都主要工作在开关状态，并在不同的动态和静态过程中进行周期性转换。而在转换的每一个过程中，开关元件自身都会产生功率损耗，因此发热现象严重，如不能尽快借助散热系统将热量带走，势必影响开关元件的正常运行。如果散热不及时或不完全，热量聚集使得元件的温度过高，芯片的晶体结构会发生不可逆转的变化进而使元件失效，严重时将导致元件击穿发生短路。因此，在大功率电力电子设备的研制过程中，如何解决散热问题应当被重点考虑。
目前，用于晶闸管阀冷却的方式主要有油冷、水冷、风冷、热管散热和自然冷却。油冷方式通常应用于大型系统中，由于其存在系统庞大、冷却效率低、一次性投入大、系统维护困难、环境污染严重等缺点，因此很少被使用。在实际应用中主要采用水冷、风冷和热管散热的方式。但是这三种散热方式由于不能满足固态切换开关换流快、效率高、占地小的工作要求，因此其应用范围受到很大限制。自然冷却受晶闸管阀的运行工况和晶闸管选型的限制较大，因此其应用也不多。
目前晶闸管阀体主要采用分离式结构，将一组正反向并联的阀通过散热器组装到一起，然后根据每相需要串联元件的数量连接。其中，散热器采用普通的铝型材，整个阀体采用通风散热系统。分离式结构的优点是便于组装生产，模块化清晰简单，便于维修和更新组件。其缺点是设备体积大，引线较长，分布参数过大，可能影响整个系统的暂态性能。目前分离式结构晶闸管阀一般采取卧式固定结构，需要专门的阀室安装，因此还有不易于维护和器件更新等缺陷。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种占地小、方便移动的大功率自冷式晶闸管阀。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种大功率自冷式晶闸管阀，其特征在于：单相晶闸管阀体包括两个晶闸管阀串和对称分布的绝缘拉杆、法兰、散热片、高电位触发板、取能磁环、高压送能电缆和多个固定螺母；每两个晶闸管通过所述散热片上的软电缆，正反向并联连接组成一个晶闸管阀单元；多个所述晶闸管阀单元并联直立叠加组成晶闸管阀串，所述散热片间隔压装在每层所述晶闸管阀单元之间，两个所述晶闸管阀串正反向并联构成一个单相晶闸管阀；所述绝缘拉杆两端分别由所述固定螺母紧固在上下二所述法兰之间；所述高压送能电缆通过所述高电位触发板的取能磁环接入晶闸管阀体中；所述单相晶闸管阀体通过二动触头输入、输出电流，其中一个动触头输入电流，另一个所述动触头输出电流，所述二动触头与所述晶闸管阀体通过铜排固定在一起，所述铜排通过所述法兰固定在所述绝缘拉杆的上下两端，所述铜排上装有连通所述散热片的软铜片。
所述绝缘拉杆为耐高压高机械强度的硅脂复合材料。
所述软铜片一端连接所述铜排，另一端连接所述散热片。
所述晶闸管阀的散热设计采用瞬态功耗、瞬态热阻进行热分析和热计算。
所述晶闸管阀的电源输入端通过软电缆连接一活动接头。
所述晶闸管阀的底部设置有一个以上的绝缘子。
一种用于安装权利要求1所述的大功率自冷式晶闸管阀的安装用车，其特征在于：车体包括一台面和一背板，所述台面上对应所述晶闸管阀底部绝缘子的位置设置有安装孔，所述背板上部设置有与单相晶闸管阀体数量相对应的绝缘子。
所述车体上间隔设置有绝缘板，将每个所述单相晶闸管阀体分开。
所述绝缘板采用环氧树脂板制成，用尼龙螺钉固定在所述车体上。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用将晶闸管阀元件、保护电路、散热元件有机的整合到一起的设计方法，使得晶闸管阀体结构紧凑，引线有效缩短，分布参数小，有利于晶闸管阀的快速换流。2、本发明根据晶闸管阀的运行状态进行散热设计和结构设计，将晶闸管阀的散热方式确定为自冷式散热，不需要外加任何冷却设备，缩小体积降低成本，提高了装置的可靠性。3、本发明综合考虑绝缘、通流能力、机械强度等因素，采用借鉴于开关柜的手车柜式结构，使得该装置易于安装维护和器件更新。
附图说明
图1是晶闸管阀电气连接示意图
图2是本发明的阀体器件示意图
图3是本发明自冷式晶闸管阀体俯视示意图
图4是本发明晶闸管阀所在的固态切换开关正常运行时示意图
图5是本发明晶闸管阀所在的固态切换开关满足切换条件时示意图
图6是本发明晶闸管阀所在的固态切换开关整个切换过程完成的示意图
图7A是本发明晶闸管阀安装用车的正视示意图
图7B是本发明晶闸管阀安装用车的侧视示意图
图8是本发明晶闸管阀的手车安装俯视示意图
具体实施方式
以下通过实施例并结合附图对本发明的结构进行详细的描述。
如图1所示，固态切换开关包括单相晶闸管阀a和单相晶闸管阀b，连接在电源w1与备用电源w2之间，在单相晶闸管阀a和单相晶闸管阀b之间连接负荷。固态切换开关的工作原理是当电源w1发生电压波动时，单相晶闸管阀a断开，单相晶闸管阀b导通，负荷由备用电源w2供电。本发明是将两个正反向并联的晶闸管组成一晶闸管阀单元，多个晶闸管阀单元直立叠加组成晶闸管阀串。两组晶闸管阀串正反并联组成一单相晶闸管阀。针对现有技术组成固态切换开关的晶闸管阀体积大、换流慢、分布参数大的问题，本发明采取压装式结构，将一组晶闸管阀单元与一组散热片间隔设置压装为一体，多组间隔设置的晶闸管阀单元与散热片构成晶闸管阀串，再组合安装成单相晶闸管阀。针对现有技术的散热方式成本高的问题，本发明采取自冷式散热，即按照设计的晶闸管阀工作状态，自冷散热不需要外加任何冷却设备。针对现有技术的卧式固定框架结构，不易安装维护和器件更新的问题，本发明实现了晶闸管阀的立式布置、手车柜式安装。
如图2、图3所示，单相晶闸管阀包括两个晶闸管阀串以及两列对称分布的绝缘拉杆1、法兰2、散热片3、高电位触发板6、取能磁环7、高压送能电缆8和多个固定螺母9。每两个晶闸管4通过散热片3上的软电缆，正反向并联连接组成一个晶闸管阀单元；多个晶闸管阀单元并联直立叠加组成晶闸管阀串，散热片3间隔压装在每层晶闸管阀单元之间，两个晶闸管阀串正反向并联构成一个单相晶闸管阀。在单相晶闸管阀底部还设置有两个用于安装固定并提供安全绝缘距离的绝缘子5。
如图7B所示，单相晶闸管阀上设置有二动触头112，每组单相晶闸管阀邻靠动触头112一侧的绝缘拉杆1的上下两端均固设有铜排113，铜排113一端通过软铜片(图中未示出)与单相晶闸管阀上下两端的散热片3连接，实现铜排113和散热片3的软连接，另一端则连接动触头112，将动触头112与单相晶闸管阀固定在一起，电流从其中一个动触头进入单相晶闸管阀，经铜排、软铜片导入单相晶闸管阀阀体中，输出的电流由散热片3流经软铜片、铜排113，再到达另一个动触头112输出，保证了晶闸管阀的大电流通流能力。因此安装在车体100上的三组单相晶闸管阀共有6个动触头112，以与电源柜中设置的静触头相对应连接，实现电流的导入导出。
如图4所示，单相晶闸管阀a两端并联有机械开关PS1，单相晶闸管阀b两端并联有机械开关PS2。晶闸管阀元件和散热片3之间的压力满足元件的导热要求(如压力过大则会降低散热效果)。绝缘拉杆1的分布情况如图3所示，绝缘拉杆1两端分别由固定螺母9紧固在上下二法兰2之间，晶闸管阀串通过法兰2之间的压力压装。综合机械强度和绝缘强度考虑，绝缘拉杆1用耐高压高强度的绝缘材料制成，如硅脂复合材料。四组晶闸管阀串分两排压装在六个绝缘拉杆1中间。高压送能电缆8通过高电位触发板6的取能磁环7接入阀体电路中。高电位触发板6中设置有保护电路，为阀体元件提供过电压保护。
如图4～图6所示，固态切换开关正常运行时，电源w1正常。负荷电流从机械开关PS1中流过，晶闸管阀a中的晶闸管TH1、TH2不导通；当满足切换条件时，先打开PS1，同时给TH1、TH2发出触发命令。当PS1动作后，晶闸管阀a两端建立起正向电压，TH1、TH2就会立刻导通，负荷电流开始从PS1转换到晶闸管阀a。由于晶闸管阀a的快速导通，机械开关PS1很快熄弧；当检测到晶闸管阀a电流过零后，立刻触发备用电源w2侧的晶闸管阀b，使电流转换到晶闸管阀b的晶闸管TH3、TH4上来；然后闭合机械开关PS2，负荷电流最后转到PS2上，从而完成整个切换过程。
根据晶闸管阀体的电气设计要求，散热设计要充分考虑晶闸管阀的工作状态。在实践中半导体结需数秒或数分钟才能达到与壳或环境温度之间的稳态条件，对于微秒或毫秒级的功率脉冲，由于忽略了系统的热响应，使用稳态热阻并不能真正反映系统的散热情况，因此热容的作用不能忽略。基于上述考虑，本发明的散热设计关注的是在短时间内，晶闸管阀元件的最高结温是否超过元件的最高允许结温，而不用去考核PN结的平均温度，结合固态切换开关的快速切换设计特点，本发明的晶闸管阀应采用瞬态功耗、瞬态热阻进行热分析和热计算，从而确定晶闸管阀的散热方式为自冷式。
如图2及图7、图8所示，安装用手车的车体100包括一台面110和一背板120，车体100的宽度略小于电源柜的宽度，使手车可以推放入电源柜中。台面110上对应三相电源安装有三组单相晶闸管阀，各组单相晶闸管阀通过底部的绝缘子5固定在台面110上，台面110上设置有安装孔111，供固定绝缘子5。固定的方式可以采用常用的螺栓螺固的方式，也可以采用其它固定方式。在背板120的上部也设置有绝缘子5，通过铜排113与每一个单相晶闸管阀的固定螺母9一一对应固定，使各组单相晶闸管阀被双向固定在手车车体100上。由此，安装在手车上的三相晶闸管阀构成一个活动开关，而且比普通机械开关的反应速度快，具有换流快、效率高、占地小、易于保养维修的优点。
由于电源柜的尺寸有限，为了保证手车的体积足以能推入电源柜中，手车车体110的宽度受到限制，使得车体110的安装空间狭窄，三组单相晶闸管阀之间相距较近，在高压试验时，空气绝缘的距离不一定能完全满足绝缘要求，为了保证三组单相晶闸管阀之间能获得可靠绝缘，本发明在每组单相晶闸管阀之间还设置有绝缘板(图中未示)，绝缘板采用环氧树脂板制成，用尼龙螺钉固定，实现不同相的晶闸管阀串间的绝缘隔离。以上结构实现了自冷式晶闸管体的手车柜式安装。当需要安装晶闸管阀的时候，只需将晶闸管阀的小车推入，使阀体上的动触头接触系统中的静触头，活动插头插入电源插座中即可工作，具有使用便捷的优势，而且可以减少固定装置的设备，降低配置试验设备的成本。
综上所述，本发明的大功率自冷式晶闸管阀首次将压装式结构应用于自冷式晶闸管阀，实现了该晶闸管阀体的立式布置、小车柜式安装，截止目前在国内、外尚未见到相同或类似的技术。
Claims (9)
1.一种大功率自冷式晶闸管阀，其特征在于：单相晶闸管阀体包括两个晶闸管阀串和对称分布的绝缘拉杆、法兰、散热片、高电位触发板、取能磁环、高压送能电缆和多个固定螺母；每两个晶闸管通过所述散热片上的软电缆，正反向并联连接组成一个晶闸管阀单元；多个所述晶闸管阀单元并联直立叠加组成晶闸管阀串，所述散热片间隔压装在每层所述晶闸管阀单元之间，两个所述晶闸管阀串正反向并联构成一个单相晶闸管阀；所述绝缘拉杆两端分别由所述固定螺母紧固在上下二所述法兰之间；所述高压送能电缆通过所述高电位触发板的取能磁环接入晶闸管阀体中；所述单相晶闸管阀体通过二动触头输入、输出电流，其中一个动触头输入电流，另一个所述动触头输出电流，所述二动触头与所述晶闸管阀体通过铜排固定在一起，所述铜排通过所述法兰固定在所述绝缘拉杆的上下两端，所述铜排上装有连通所述散热片的软铜片。
2.如权利要求1所述的一种大功率自冷式晶闸管阀，其特征在于：所述绝缘拉杆为耐高压高机械强度的硅脂复合材料。
3.如权利要求1所述的一种大功率自冷式晶闸管阀，其特征在于：所述软铜片一端连接所述铜排，另一端连接所述散热片。
4.如权利要求1所述的一种大功率自冷式晶闸管阀，其特征在于：所述晶闸管阀的散热设计采用瞬态功耗、瞬态热阻进行热分析和热计算。
5.如权利要求1所述的一种大功率自冷式晶闸管阀，其特征在于：所述晶闸管阀的电源输入端通过软电缆连接一活动接头。
6.如权利要求1所述的一种大功率自冷式晶闸管阀，其特征在于：所述晶闸管阀的底部设置有一个以上的绝缘子。
7.一种用于安装权利要求1所述的大功率自冷式晶闸管阀的安装用车，其特征在于：车体包括一台面和一背板，所述台面上对应所述晶闸管阀底部绝缘子的位置设置有安装孔，所述背板上部设置有与单相晶闸管阀体数量相对应的绝缘子。
8.如权利要求7所述的大功率自冷式晶闸管阀的安装用车，其特征在于：所述车体上间隔设置有绝缘板，将每个所述单相晶闸管阀体分开。
9.如权利要求8所述的大功率自冷式晶闸管阀的安装用车，其特征在于：所述绝缘板采用环氧树脂板制成，用尼龙螺钉固定在所述车体上。
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