CN101795051A - 用于高压直流传送的晶闸管换流阀阀模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于高压直流传送的晶闸管换流阀阀模块，其在结构设计上，将阀模块分为两个完全相同的阀段，且每一个阀段在结构上为一个整体，该该结构设计可以有效的将阀模块的重量载荷进行分散，将一个阀模块的重量分散在两个阀段上，这样降低了阀模块重量载荷对结构设计强度的要求，也降低了对材料性能的要求，可以选用较低强度和较小截面尺寸的结构支撑件，从而就有效的降低阀模块的成本、几何尺寸和重量。

Description

用于高压直流传送的晶闸管换流阀阀模块

技术领域

本发明涉及电力系统换流阀领域，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，多采用金属材料或者金属材料与绝缘材料构成阀模块的支撑框架，在阀模块内部分散布置各种元器件。这种结构形式存在重量载荷集中的问题，对阀模块的支撑框架结构强度要求高，对材料的性能要求提高，增加阀模块的设计难度，也不可避免的增加了阀模块的重量和结构尺寸。对于模块化分散式结构，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小技术，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。

为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：阀模块在结构上分为相同的两个阀段，每一个阀段都包括饱和电抗器、晶闸管单元、直流均压电阻单元、取能电阻单元、阻尼电阻单元、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，且在结构上是一个整体。晶闸管单元是由若干个晶闸管级串联而成，每一个晶闸管两侧都有散热器相连。根据晶闸管级的电气设计，每一个晶闸管级都对应着一个阻尼电阻、阻尼电容、直流均压电阻、取能电阻和门极单元。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。晶闸管级组件与一个饱和电抗器在电气上串联连接构成了一个阀段。

阀段通过特殊设计的铝合金横梁和绝缘槽梁构成结构支撑框架，用于支撑饱和电抗器和晶闸管级组件。对于每一个阀段，晶闸管级组件和饱和电抗器组件都采用模块化设计，相对独立，一个阀模块实际由两个晶闸管级组件和两个饱和电抗器组件组成。

对于一个晶闸管级组件，晶闸管单元、直流均压电阻和取能电阻构成一个单独的子模块，阻尼电阻单元、阻尼电容单元和门极单元也采用单独的子模块设计，可以独立的组装，每一个子模块组装完毕后，再组装成一个晶闸管级组件。

在元器件选型上，采用小型的模块化的阻尼电阻，阻尼电阻为直接水冷式结构设计，其外壳为阻燃的的塑料材料。阻尼电容也采用特殊设计，电容器分为两种类型：三个接线端子的电容器和两个接线端子的电容，接线端子在布置上采用特殊设计，不管是两个接线端子的电容器和三个接线端子的电容器，都有一个接线端子位于电容器的尾部，同时也作为电容器的固定端子。直流均压电阻和取能电阻则选用模块化的厚膜电阻。

阀模块设计系统包括了水冷系统。对于一个阀段，在晶闸管单元与门极单元之间布置了主进水管，在阻尼电阻与阻尼电容之间布置了主回水管。主进水管和主回水管上设置了多个分支水管。主进水管通过分支水管直接给晶闸管散热器供水，该水路再通过晶闸管散热器与阻尼电阻之间的分支水管回到主回水管。晶闸管级的水路采用全并联设计。水冷系统同时冷却饱和电抗器的绕组和铁心，饱和电抗器绕组冷却水路和铁心冷却水路也采用并联设计。两个阀段之间的水路系统相对独立。

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，两个阀段之间通过软连接母排相连。

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。屏蔽罩固定在阀段制成框架上，其中较长的屏蔽罩位于阀段的靠近饱和电抗器一侧的铝合金横梁上，较短屏蔽罩位于阀段靠近门极单元一侧的绝缘槽梁上。

阀模块在结构设计上考虑了阻燃特性设计，所用绝缘材料都有阻燃性能，元器件在选型上也考虑了阻燃特性，比如阻尼电容采用干式电容器，而非充油式电容器。阻尼电阻的壳体则采用具有阻燃性材料制成。

本发明的有益效果是：

(1)依据本发明的阀模块，在结构设计上，将阀模块分为两个完全相同的阀段，且每一个阀段在结构上为一个整体，该该结构设计可以有效的将阀模块的重量载荷进行分散，将一个阀模块的重量分散在两个阀段上，这样降低了阀模块重量载荷对结构设计强度的要求，也降低了对材料性能的要求，可以选用较低强度和较小截面尺寸的结构支撑件，这样就有效的降低阀模块的成本、几何尺寸和重量。

(2)对于一个晶闸管级组件，门极单元、阻尼电阻与阻尼电容单元分别位于晶闸管单元的两侧，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远，有利于改善阀段框架的受力状况。对于一个阀段，重量最大的饱和电抗器和晶闸管单元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，阻尼电容采用横向放置，缩短了阻尼电容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。

(3)阀模块在电气连接上，一个阀段内部的饱和电抗器组件与晶闸管级组件之间采用软连接母排进行电气连接，连个阀段之间也通过软连接母排进行连接，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。

(4)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。

(5)在元器件选型上，采用小型的模块化设计的塑料壳体的阻尼电阻，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。阻尼电容为干式充气电容器，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。

(6)由于阀模块的绝缘材料选择了具有阻燃性的材料，且阻尼电阻的壳体采用阻燃性材料、阻尼电容采用干式设计，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。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1本发明的阀模块结构示意图。

图2本发明的阀段结构示意图。

图3本发明的晶闸管级组件结构示意图。

图4本发明的饱和电抗器组件结构示意图。

图5本发明的阀模块水路系统示意图。

图6阀段支撑框架结构示意图。

图7晶闸管单元结构示意图。

图8本发明的阻尼电阻单元结构示意图。

图9本发明的阻尼电容单元示意图。

图10本发明的门极单元结构示意图。

具体实施方式

以下通过具体实施例并结合附图对本发明进行详细的说明。

如图1和图2所示，阀模块包括了两个阀段：阀段1和阀段2，每个阀段包括了饱和电抗器组件05和晶闸管级组件00。其中饱和电抗器组件05位于阀模块的两侧，晶闸管级组件00则位于阀模块的中间部位。阀模块的三个外围有多个屏蔽罩(阻尼电容的一侧没有屏蔽罩)，屏蔽罩的结构为圆弧形结构，分为两种结构型式：角屏蔽罩34和短屏蔽罩35。饱和电抗器09与晶闸管单元01之间通过软连接铜母排36实现电气连接，两个阀段通过软连接母排37实现电气连接，这样在电气上，一个阀模块就是两个饱和电抗器09与多个晶闸管27的串联结构。饱和电抗器组件05和晶闸管级组件00固定在阀段支撑框架13上，阀段支撑框架13由铝合金横梁14、绝缘支撑侧板16和绝缘支撑横板15构成。

如图3所示，晶闸管级组件00包括了门极单元02、晶闸管单元01、阻尼电容单元04和阻尼电阻单元03。门极单元02和阻尼电阻单元03、阻尼电容单元04位于晶闸管单元01的两侧，从门极单元02侧向阻尼电容单元04侧看，依次排列着门极单元02、晶闸管单元01、阻尼电阻单元03和阻尼电容单元04。

如图4所示，饱和电抗器组件05由饱和电抗器09和饱和电抗器绝缘支撑板10组成。饱和电抗器09直接坐落在饱和电抗器绝缘支撑板10上，该绝缘支撑板采用高强度的复合绝缘材料，即满足电气绝缘性能的要求，又起到可靠的结构支撑作用。该绝缘板直接固定在阀段支撑框架的铝合金横梁14上，用以支撑饱和电抗器。

如图5所示，阀模块通过两个不锈钢主水管(不锈钢主进水管11和不锈钢主回水管12)统一对两个阀段进行供水冷却，两个阀段的水冷系统则通过不锈钢主水管连接为一个整体，但又彼此相对独立。对于每一个阀段，每一个晶闸管级的水冷系统、饱和电抗器绕组、饱和电抗器铁心散热器之间为并联关系，都由同一个主供水管06供水和同一个主回水管07集中回水。对于一个阀段内部的晶闸管单元01和阻尼电阻单元03之间的水路连接，则通过分支水管08进行连接。对于一个晶闸管级的晶闸管散热器28和阻尼电阻17之间则采用串联水路，冷却水先由主进水管06进入晶闸管散热器28，然后进入阻尼电阻17，最后流入主回水管07。

如图6所示，阀段支撑框架包括了三根特殊截面的铝合金横梁和四个绝缘槽梁，其中两个绝缘材料位于框架的两侧，另外两个绝缘槽梁位于支持框架的底部，绝缘槽梁是通过铝合金固定件通过螺栓固定链接在铝合金横梁上。阀段支撑框架是阀模块的结构强度主体。

如图7所示，晶闸管单元01由若干个晶闸管27串联连接而成，每一个晶闸管两侧都固定了散热器28，每一个晶闸管在电气连接上对应了两个直流均压电阻29和一个取能电阻30，两个直流均压电阻29和取能电阻30固定在一个散热器的端面上。晶闸管单元还包括了支撑框架，该支撑框架由金属端板33和绝缘拉板32通过金属螺栓连接固定而成。同时，晶闸管单元还包括了用于电气连接的母排31。

如图8所示，阻尼电阻单元03由若干个阻尼电阻17和绝缘支撑横梁18组成。阻尼电阻通过绝缘螺栓固定在两个绝缘支撑横梁18上。

如图9所示，阻尼电容单元04由若干个两端阻尼电容19、三端阻尼电容20和电容器绝缘支撑板21构成。对应于一个晶闸管级，在电气上包括了一个三端阻尼电容和一个两端阻尼电容。电容器绝缘支撑板21则采用中间刻槽设计，以满足在高电压下的电气绝缘距离要求。

如图10所示，门极单元02由绝缘支撑角件22、前支撑绝缘板23、绝缘支撑侧板24、盖板25，以及电路板26组成。前支撑绝缘板23、绝缘支撑侧板24和盖板25构成了门极单元的支撑框架，与晶闸管级数对应的若干个电路板26在该框架内固定安装，电路板支撑框架通过绝缘支撑角件22固定在阀段支撑框架13的铝合金横梁14上。该门极单元的特殊结构设计，保证了电路板26的可靠固定，同时盖板又起到了对漏水隔离的作用，避免了阀模块的漏水破坏电路板，该盖板还有隔尘的作用。

上面通过特别的实施例内容描述了本发明，但是本领域技术人员还可意识到变型和可选的实施例的多种可能性，例如，通过组合和/或改变单个实施例的特征。因此，可以理解的是这些变型和可选的实施例将被认为是包括在本发明中，本发明的范围仅仅被附上的专利权利要求书及其同等物限制。

Claims (10)

1.一种用于高压直流传送的晶闸管换流阀阀模块，该阀模块在结构上分为结构相同的两个阀段，每一个阀段都包括饱和电抗器、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，且在结构上是一个整体，晶闸管单元是由若干个晶闸管级组件串联而成，每一个晶闸管单元两侧都有散热器相连，所述阀段内部的元器件在布置上：以晶闸管单元为中心，晶闸管单元两侧分别布置了门极单元和阻尼电阻单元与阻尼电容单元；所述晶闸管级组件与一个饱和电抗器在电气上串联连接构成为一个阀段。

2.如权利要求1所述的阀模块，其特征在于阀段通过特殊设计的铝合金横梁和绝缘槽梁构成结构支撑框架，用于支撑饱和电抗器和晶闸管级组件，对于每一个阀段，晶闸管级组件和饱和电抗器都采用模块化设计，相对独立，一个阀模块实际由两个晶闸管级组件和两个饱和电抗器组成。

3.如权利要求2所述的阀模块，其特征在于对于一个晶闸管级组件，晶闸管单元、直流均压电阻单元和取能电阻单元构成一个单独的子模块，阻尼电阻单元、阻尼电容单元和门极单元也构成一个单独的子模块，可以独立的组装，每一个子模块组装完毕后，再组装成一个晶闸管级组件。

4.如权利要求3所述的阀模块，其特征在于在元器件选型上，采用小型的模块化的阻尼电阻单元，阻尼电阻单元为直接水冷式结构设计，其外壳为阻燃的塑料材料。

5.如权利要求4所述的阀模块，其特征在于阻尼电容单元的电容器分为两种类型：三个接线端子的电容器和两个接线端子的电容器，所述两个接线端子的电容器和三个接线端子的电容器，都具有一个接线端子位于电容器的尾部，同时也作为电容器的固定端子，

6.如权利要求5所述的阀模块，其特征在于所述直流均压电阻单元和取能电阻单元选用模块化的厚膜电阻。

7.如权利要求6所述的阀模块，其特征在于所述水冷系统，对于一个阀段，在晶闸管单元与门极单元之间布置了主进水管，在阻尼电阻单元与阻尼电容单元之间布置了主回水管，在主进水管和主回水管上设置了多个分支水管，主进水管通过分支水管直接给晶闸管的散热器供水，该水路再通过晶闸管的散热器与阻尼电阻单元之间的分支水管回到主回水管，所述晶闸管级组件的水路采用全并联设计，水冷系统同时冷却饱和电抗器的绕组和铁心，饱和电抗器的绕组冷却水路和铁心冷却水路也采用并联设计，两个阀段之间的水路系统相对独立。

8.如权利要求7所述的阀模块，其特征在于在电气连接上，每一个阀段的饱和电抗器3和晶闸管级组件之间通过软连接母排相连，两个阀段之间也通过软连接母排相连。

9.如权利要求1-8所述的阀模块，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15，屏蔽罩15的边缘和棱角采用圆弧设计，屏蔽罩15固定在阀段制成的支撑框架12上，其中较长的屏蔽罩位于阀段的靠近饱和电抗器一侧的铝合金横梁上，较短的屏蔽罩位于阀段靠近门极单元一侧的绝缘槽梁上。

10.如权利要求1-9所述的阀模块，其特征在于阀模块在结构设计上考虑了阻燃特性设计，所用绝缘材料都有阻燃性能，元器件在选型上也考虑了阻燃特性，所述阻尼电容单元8采用干式电容器，阻尼电阻单元7的壳体采用具有阻燃性材料制成。

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