CN101719719B - 一种晶闸管换流阀阀模块 - Google Patents

一种晶闸管换流阀阀模块 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于将交流电压转换为直流电压，或者将直流电压转换为交流电压的高电压大功率电力电子设备：一种晶闸管换流阀阀模块，其是在一个整体阀模块上，分为相同的两个阀段，每一个阀段都包括饱和电抗器、晶闸管、直流均压电阻单元、取能电阻单元、阻尼电阻单元、阻尼电容单元、门极单元和水冷系统，该设备将晶闸管进行串联组合，以满足不同输电功率和不同输电电压等级的要求。该设备是高压直流输电的核心设备，应用于不同电压等级的交直流变换系统，可以应用于DC侧不同电压等级要求，包括特高压800kV及以上电压。

Description

一种晶闸管换流阀阀模块
技术领域
本发明涉及电力系统大功率电力电子换流阀领域，具体涉及一种用于高压直流传送的晶闸管换流阀阀模块。
背景技术
换流阀作为高压直流输电系统的核心部件，其发展和应用已经有多年的历史。传统高压直流输电的换流阀阀模块是以晶闸管串联结构为核心，同时又包含了晶闸管的控制、触发和保护系统。围绕晶闸管的安全可靠工作，换流阀阀模块包括以下辅助元器件：饱和电抗器、晶闸管单元、阻尼电阻单元、阻尼电容单元，直流均压电阻、取能电阻、用于晶闸管控制、触发和保护的控制单元，以及满足冷却要求的水冷系统。根据直流输电的电压等级和输送功率的要求，选择合适的晶闸管类型，将这些元器件、控制单元和水冷系统有效的整合在一起，就构成了换流阀阀模块。
目前在运行的换流阀阀模块存在着一些问题，比如易漏水、重量大、结构尺寸大、安装和维护不方便等缺点。漏水是目前影响换流阀安全运行的关键因素，换流阀结构和重量特性又关系到换流阀的成本和安装维护方便性，安装和维护特性又关系到换流阀关系到工程应用的可操作性和工作效率。
目前换流阀阀模块在结构设计上主要分为两种结构形式：框架式结构和模块化分散式结构。对于框架式结构，一般分为两种结构，金属框架式和金属结构件与大截面尺寸的绝缘槽梁组成的组合框架式，框架是阀模块的结构支撑主体，在阀模块框架内部分散布置各种元器件。金属框架式阀模块，结构支撑强度高，但是在高电压下必须考虑电气绝缘的要求，会增大阀模块框架的结构尺寸，并造成阀模块内部空间的浪费，而且阀模块的重量也会增大。组合式框架阀模块，存在机械强度的问题，由于阀模块框架要承受较大的重量载荷，对绝缘槽梁的结构强度，诸如抗拉强度、抗弯强度和抗剪强度等要求很高，会增大阀模块设计的难度和制造成本，不利于换流阀的工程应用。模块化分散式阀模块结构，则将阀模块内部的晶闸管、阻尼电阻、阻尼电容、门极单元和饱和电抗器的等采用模块化组装，这种结构设计存在阀模块内部的分散的子模块数量太多，造成了阀模块工程现场组装的难度，也不利于阀模块安装效率的提高，同时，这种模块化分散式结构对现场安装的精度要求很高，安装的技术操作相对复杂，对阀模块安装的技术人员的操作技能有很高的要求。
目前在运行的换流阀的元器件选型更新换代缓慢，没有应用目前元器件的最新技术，且不能适应目前直流输电升压和增容的需要。
发明内容
本发明的目的是提供一种几何尺寸小、重量轻、组装方便且便于维护的新型的换流阀阀模块。本发明应用最新型的换流阀元器件，包括晶闸管、阻尼电阻和阻尼电容等，采用特殊的整合方式，实现本发明的功能的独创性和优异性。
为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：
一种晶闸管换流阀阀模块，其特征在于在一个整体阀模块上，分为相同的两个阀段，每一个阀段都包括饱和电抗器、晶闸管、直流均压电阻单元、取能电阻单元、阻尼电阻单元、阻尼电容单元、门极单元和水冷系统，其中，晶闸管单元、阻尼电阻单元、阻尼电容单元、直流均压电阻单元、取能电阻单元和门极单元固定连接成一个晶闸管级组件，饱和电抗器作为一个独立组件，晶闸管单元是由若干个晶闸管及其附属部件串联而成，每一个晶闸管的两侧都连接有散热器，根据晶闸管级的电气设计，每一个晶闸管级都对应有一个阻尼电阻、阻尼电容、直流均压电阻、取能电阻和门极电路；晶闸管级组件内部的元器件在布置上：以晶闸管单元为中心，晶闸管单元的两侧分别布置了门极单元和阻尼电阻与阻尼电容，晶闸管级组件与饱和电抗器组件在电气上串联连接构成了一个晶闸管换流阀的阀段。
其中，阀模块的支撑结构采用托架式结构，支撑托架由铝合金横梁和小截面尺寸的绝缘槽梁构成，用于支撑饱和电抗器组件和晶闸管级组件，阀模块的支撑托架包括五根铝合金横梁和四根绝缘槽梁，其中两根绝缘槽梁位于支撑托架的侧部，另外两个绝缘槽梁位于支撑托架的底部，阀模块以其中的三根铝合金横梁为间隔分为四个部分：两个饱和电抗器组件和两个晶闸管级组件。
其中，对于每一个晶闸管级组件，其所对应的晶闸管单元、阻尼电阻单元、阻尼电容单元和门极单元都采用模块化设计，独立组装，每一个单元组装完毕后，通过固定连接件固定在阀模块支撑托架上，形成一个晶闸管级组件，每一个晶闸管单元都包括若干个晶闸管级，每个晶闸管的两个侧面压装有散热器，每个晶闸管级都对应有两个直流均压电阻和一个取能电阻，取能电阻和直流均压电阻固定在晶闸管散热器的一个侧面上，这样散热器既冷却了晶闸管，又冷却了取能电阻和直流均压电阻，有利于提高直流均压电阻和取能电阻的性能；
所述晶闸管单元采用精确控制的液压加载机构以一定的压力压装在一起的，形成结构上的一个整体单元，阻尼电容单元采用U形绝缘小槽梁和高强度绝缘板构成的支撑结构，与晶闸管级对应的若干个阻尼电容整合在一起，形成一个整体结构。与一个晶闸管级对应的阻尼电容为两个：一个三个出线端子的阻尼电容和一个两个出线端子的电容器；
其中，所述阻尼电阻单元是由若干个阻尼电阻和支撑绝缘梁构成的，阻尼电阻是需要冷却水冷却的电阻；
所述门极单元为若干个门极电路板固定在高强度绝缘板上，采用便于插拔的固定夹组装成一个整体单元，该固定夹为长条形结构，用于固定电路板的侧面设置了滑轨，用于安装电路板，与有滑轨侧面垂直的底面上固定了用于安装固定夹固定的卡子，该卡子设计了两个弹性卡片，在一定压力下可以变形，在安装时，直接将卡子插入绝缘板上设置的卡口内，即可保证良好固定。
其中，在阀模块的元器件选型和阀模块的支撑结构材料的选型上，采用了防火设计，防火设计分为两部分：阀模块的支撑结构所选用的绝缘材料具有很好的阻燃性；在阀模块的元器件选型上，阻尼电阻采用直接水冷却，阻尼电阻的外壳为阻燃性材料制成，阻尼电容为干式电容器，采用防火无油设计，直流均压电阻和取能电阻选用模块化的厚膜电阻，直流均压电阻和取能电阻的外壳也采用阻燃性材料制成。
其中，所述水冷系统由一个主进水管和一个主回水管组成，主进水管和主回水管上设置若干个分支水管，阀模块中需要冷却的部件是饱和电抗器、晶闸管的散热器和阻尼电阻，整个水路系统为全并联水路，每个晶闸管级组件之间采用并联的水路设计，每个晶闸管级组件的内部则采用串联水路设计，主进水管通过分支水管的水先进入晶闸管的散热器，再进入阻尼电阻，然后回到主回水管，饱和电抗器的水路将主回水管和主进水管串联在一起，从而使得饱和电抗器的水路串联在主水路上。
其中，在电气连接上，每一个阀段的饱和电抗器和晶闸管级组件之间通过软连接母排相连，并且两个阀段之间也通过软连接母排相连。
其中，在阀模块的外围，布置了多个长短不一的屏蔽罩，屏蔽罩的边缘和棱角采用圆弧设计，屏蔽罩固定在阀模块的支撑托架上，其中较长的屏蔽罩设置于每个阀段的靠近饱和电抗器一侧的铝合金横梁上，较短的屏蔽罩设置于阀段靠近门极单元一侧的绝缘槽梁上。
本发明的有益效果是：
本发明，在结构设计上，采用整体的托架结构，托架由铝合金横梁和绝缘槽梁构成，然后在托架上以组件的型式布置两个饱和电抗器组件和两个晶闸管级组件。这种换流阀阀模块结构型式与现运行的换流阀阀模块结构相比，具有以下的优点：
(1)可以有效的降低阀模块支撑结构的重量，减小支撑结构的几何尺寸；
(2)该结构既克服了全金属框架阀模块结构的几何尺寸大、重量大和空间利用效率底的缺点，又克服了传统的金属结构件与大截面尺寸的绝缘槽梁组成的组合框架式结构的强度低、加工成本高的缺点；
(3)不管是金属框架式阀模块结构，还是金属结构件和大截面绝缘槽梁组成的组合框架式阀模块结构，都存在载荷和应力集中的问题，对阀模块的整体强度有影响，本发明采用多根铝合金横梁和绝缘槽梁组合型式，可以有效的分散承重载荷，并降低应力集中程度。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是依据本发明的阀模块的整体结构示意图。
图2是依据本发明的阀模块的阀段结构示意图。
图3是依据本发明的阀模块的晶闸管级组件结构示意图。
图4是依据本发明的阀模块的饱和电抗器组件结构示意图。
图5是依据本发明的阀模块的晶闸管单元结构示意图
图6是依据本发明的阀模块的阻尼电阻单元结构示意图。
图7是依据本发明的阀模块的阻尼电容单元示意图。
图8是依据本发明的阀模块的门极单元结构示意图。
具体实施方式
对于一个晶闸管级组件，门极单元02、阻尼电阻单元04与阻尼电容单元03分别位于晶闸管单元01的两侧，在结构设计上，晶闸管级组件的重心与几何中心偏离不是太大，有利于改善阀框架的受力状况。对于一个阀段，重量最大的饱和电抗器组件05和晶闸管单元01在阀段的同一轴线上布置，其重心靠近阀段结构的几何中心，从而改善了整个阀段的受力状况。对于一个晶闸管级，阻尼电容单元03紧邻阻尼电阻单元04放置，缩短了阻尼电容03接线端子与其他电气连接元器件之间的距离，可以缩短晶闸管级的电气接线长度，优化了晶闸管级的电气性能。门极单元02紧邻晶闸管单元放置，有利于晶闸管的控制、触发和保护特性。
阀模块在电气连接上，一个阀段内部的饱和电抗器组件05与晶闸管级组件之间采用软连接母排29进行电气连接，连个阀段之间也通过软连接母排30进行连接，这种设计可以避免由于换流阀在运行过程中产生的震动造成对连接母排的破坏，同时也可以保证连接母排之间的长期连接可靠性，提高了换流阀工作的安全性。
在水路设计上，全并联的水路设计保证了更好的冷却效果，也保证了晶闸管级被冷却元器件冷却效果的一致性，有利于保持元器件性能不会因为冷却温度的差异而出现性能的差异。在水管设计上，采用较大内径的水管。较大内径的水管和全并联的水路设计，可以有效降低水冷系统内的水压要求，从而避免了由于水压过大而造成的水管接头漏水的发生，且提高了水路管路系统的工作寿命，提高的了阀模块长期运行的可靠性。
对于阻尼电阻单元04，采用小型的模块化设计的塑料壳体的阻尼电阻12，可以降低阀模块的几何尺寸，减轻阀模块的重量，且便于阀模块的组装。阻尼电阻单元04在结构上有若干个阻尼电阻12由高强度的绝缘支撑横梁13支撑，保证了阻尼电阻单元04的结构强度，阻尼电阻单元04通过固定角件14固定在阀模块框架08的铝合金横梁09上。
对于阻尼电容单元03，阻尼电容分为两种：两个出线端子的两端阻尼电容15和三个出线端子的三端阻尼电容16，两种类型的电容均为干式充气电容器，体积小，重量轻，有利于结构布置和安装，且可以降低阀模块的结构尺寸和重量。阻尼电容单元03在结构上由若干个两端阻尼电容15和三端阻尼电容16固定在绝缘板19上，绝缘板有小截面的绝缘槽梁17支撑，阻尼电容单元通过铝合金固定件18固定在阀模块框架08的铝合金横梁09上。
由于阀模块的绝缘材料选择了具有阻燃性的材料，且阻尼电阻12的壳体采用阻燃性材料、两端阻尼电容15和三端阻尼电容16采用干式设计，都增加了阀模块的防火特性，使得阀模块具有很好的阻燃特性，可以有效的降低由火灾引起的产品损失。
在阀模块外屏蔽设计上，采用独特设计的，具有良好均压特性的屏蔽罩，既改善了阀模块的电场分布，有增加了阀模块工艺美观性。屏蔽罩分为两种：角屏蔽罩07-1和短屏蔽罩07-2。
此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。

Claims (8)

1.一种晶闸管换流阀阀模块，其特征在于在一个整体阀模块上，分为相同的两个阀段，每一个阀段都包括饱和电抗器组件、晶闸管单元、直流均压电阻单元、取能电阻单元、阻尼电阻单元、阻尼电容单元、门极单元和水冷系统，其中，晶闸管单元、阻尼电阻单元、阻尼电容单元、直流均压电阻单元、取能电阻单元和门极单元固定连接成一个晶闸管级组件，饱和电抗器作为一个独立组件，晶闸管单元是由若干个晶闸管及其附属部件串联而成，每一个晶闸管的两侧都连接有散热器，根据晶闸管级的电气设计，每一个晶闸管级都对应有一个阻尼电阻、阻尼电容、直流均压电阻、取能电阻和门极电路；晶闸管级组件内部的元器件在布置上：以晶闸管单元为中心，晶闸管单元的两侧分别布置了门极单元和阻尼电阻与阻尼电容，晶闸管级组件与饱和电抗器组件在电气上串联连接构成了一个晶闸管换流阀的阀段。
2.如权利要求1所述的晶闸管换流阀阀模块，其特征在于：阀模块的支撑结构采用托架式结构，支撑托架由铝合金横梁和绝缘槽梁构成，用于支撑饱和电抗器组件和晶闸管级组件，阀模块的支撑托架包括五根铝合金横梁和四根绝缘槽梁，其中两根绝缘槽梁位于支撑托架的侧部，另外两个绝缘槽梁位于支撑托架的底部，阀模块以其中的三根铝合金横梁为间隔分为四个部分：两个饱和电抗器组件和两个晶闸管级组件。
3.如权利要求1或2所述的晶闸管换流阀阀模块，其特征在于：
对于每一个晶闸管级组件，其所对应的晶闸管单元、阻尼电阻单元、阻尼电容单元和门极单元都采用模块化设计，独立组装，每一个单元组装完毕后，通过固定连接件固定在阀模块支撑托架上，形成一个晶闸管级组件，每一个晶闸管单元都包括若干个晶闸管级，每个晶闸管的两个侧面压装有散热器，每个晶闸管级都对应有两个直流均压电阻和一个取能电阻，取能电阻和直流均压电阻固定在晶闸管散热器的一个侧面上，这样散热器既冷却了晶闸管，又冷却了取能电阻和直流均压电阻，有利于提高直流均压电阻和取能电阻的性能；
所述晶闸管单元采用液压加载机构以一定的压力压装在一起的，形成结构上的一个整体单元，阻尼电容单元采用U形绝缘小槽梁和高强度绝缘板构成的支撑结构，与晶闸管级对应的若干个阻尼电容整合在一起，形成一个整体结构；与一个晶闸管级对应的阻尼电容为两个：一个三个出线端子的阻尼电容和一个两个出线端子的电容器。
4.如权利要求1所述的晶闸管换流阀阀模块，其特征在于：
所述阻尼电阻单元是由阻尼电阻和支撑绝缘梁构成的，阻尼电阻是需要冷却水冷却的电阻；
所述门极单元为若干个门极电路板固定在高强度绝缘板上，采用便于插拔的固定夹组装成一个整体单元，该固定夹为长条形结构，用于固定电路板的侧面设置了滑轨，用于安装电路板，与有滑轨侧面垂直的底面上固定了用于安装固定夹固定的卡子，该卡子设计了两个弹性卡片，在一定压力下可以变形，在安装时，直接将卡子插入固定在绝缘板上设置的卡口内。
5.如权利要求1所述的晶闸管换流阀阀模块，其特征在于：
在阀模块的元器件选型和阀模块的支撑结构材料的选型上，采用了防火设计，防火设计分为两部分：阀模块的支撑结构所选用具有阻燃性的绝缘材料；在阀模块的元器件选型上，阻尼电阻采用直接水冷却，阻尼电阻的外壳为阻燃性材料制成，阻尼电容为干式电容器，采用防火无油设计，直流均压电阻和取能电阻选用模块化的厚膜电阻，直流均压电阻和取能电阻的外壳也采用阻燃性材料制成。
6.如权利要求1所述的晶闸管换流阀阀模块，其特征在于：
所述水冷系统由一个主进水管和一个主回水管组成，主进水管和主回水管上设置若干个分支水管，阀模块中需要冷却的部件是饱和电抗器、晶闸管的散热器和阻尼电阻，整个水路系统为全并联水路，每个晶闸管级组件之间采用并联的水路设计，每个晶闸管级组件的内部则采用串联水路设计，主进水管通过分支水管的水先进入晶闸管的散热器，再进入阻尼电阻，然后回到主回水管，饱和电抗器的水路将主回水管和主进水管串联在一起，从而使得饱和电抗器的水路串联在主水路上。
7.如权利要求1所述的晶闸管换流阀阀模块，其特征在于：
在电气连接上，每一个阀段的饱和电抗器和晶闸管级组件之间通过软连接母排相连，并且两个阀段之间也通过软连接母排相连。
8.如权利要求2所述的晶闸管换流阀阀模块，其特征在于：
在阀模块的外围，布置了多个长短不一的屏蔽罩，屏蔽罩的边缘和棱角采用圆弧设计，屏蔽罩固定在阀模块的支撑托架上，其中较长的屏蔽罩设置于每个阀段的靠近饱和电抗器一侧的铝合金横梁上，较短的屏蔽罩设置于阀段靠近门极单元一侧的绝缘槽梁上。
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